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《电力电子技术》考研复试题目及答案解析

一、基础概念与器件特性（共4题）

题目1：简述绝缘栅双极晶体管（IGBT）与功率场效应晶体管（MOSFET）的主要区别，并说明各自的典型应用场景。

答案解析：

IGBT与MOSFET均为电压驱动型全控器件，但在结构、特性及应用上存在显著差异：

（1）结构差异：IGBT是双极型器件（由MOSFET的栅极结构与BJT的集电极结构组合而成），内部存在PN结，载流子包括电子和空穴；MOSFET是单极型器件，仅通过多数载流子（电子或空穴）导电。

（2）特性差异：

-导通压降：IGBT在高压大电流场景下导通压降更低（因双极导电特性），而MOSFET在低压（200V）小电流时导通电阻更小（Rds(on)随电压升高指数增长）。

-开关速度：MOSFET无少数载流子存储效应，开关时间（约10-100ns）远快于IGBT（约0.1-1μs），但IGBT的关断拖尾电流会增加开关损耗。

-安全工作区（SOA）：MOSFET的SOA受限于热效应和二次击穿，高压下易失效；IGBT的SOA更宽，适合高压（600V）应用。

（3）典型应用：

IGBT主要用于中高压、中高功率场景，如电动汽车驱动逆变器（600-1200V）、工业变频器（380V/660V系统）、光伏逆变器（1000V以上）；MOSFET则适用于低压高频场景，如计算机电源（12V/5V转换）、通信电源（48V转1V）、高频DC-DC变换器（1MHz）。

题目2：比较电压型逆变器（VSI）与电流型逆变器（CSI）的基本特性，分析各自在输入侧和输出侧的滤波需求。

答案解析：

电压型逆变器（VSI）与电流型逆变器（CSI）的核心区别在于直流侧储能元件类型及输出特性：

（1）直流侧特性：

-VSI直流侧并联大电容（电压源），输出电压波形接近方波（或SPWM调制波），输出电流由负载决定；

-CSI直流侧串联大电感（电流源），输出电流波形接近方波，输出电压由负载阻抗决定。

（2）输入侧滤波需求：

-VSI输入侧需大电容滤波以稳定直流母线电压，抑制整流环节的纹波（如单相整流时，电容需吸收100Hz纹波，容量通常为数十到数百mF）；

-CSI输入侧需大电感滤波以稳定直流母线电流，抑制整流环节的电流脉动（电感值需满足电流连续条件，通常为几mH到几十mH）。

（3）输出侧特性与滤波：

-VSI输出电压含高次谐波（如5、7次等），需输出LC滤波器（如L=1-10mH，C=10-100μF）以获得正弦电流；

-CSI输出电流含高次谐波，输出电压波形受负载影响（阻性负载时电压谐波与电流同次，感性负载时电压谐波幅值增大），通常需并联电容吸收感性负载的无功，或通过多重化技术降低谐波。

题目3：解释PWM调制中“异步调制”与“同步调制”的定义，说明异步调制的主要缺点及改进方法。

答案解析：

（1）定义：

-异步调制：载波频率fc固定，调制波频率fr变化（如逆变器输出频率调节时），载波比N=fc/fr为变量；

-同步调制：载波比N固定（通常为3的倍数以保证三相对称），fc与fr同步变化（fc=N×fr）。

（2）异步调制的缺点：

-低频时N减小（如fr=5Hz，fc=2kHz时N=400；fr=50Hz时N=40），导致输出电压谐波含量增加（尤其低次谐波），电机转矩脉动增大；

-载波频率固定可能与负载机械频率耦合，引发共振。

（3）改进方法：

-采用分段同步调制：在低频段（如fr25Hz）使用较大的N（如N=60），中高频段（fr≥25Hz）逐步降低N（如N=30、15），兼顾低频谐波抑制与高频开关损耗；

-引入随机PWM技术：随机改变载波频率或相位，分散谐波能量，降低电磁干扰（EMI）；

-采用空间矢量调制（SVPWM）：通过优化电压矢量作用时间，减少谐波含量，同时提高直流电压利用率（比SPWM高15%）。

题目4：说明晶闸管（SCR）的擎住效应（LatchingEffect）及其对触发导通的影响。

答案解析：

（1）擎住效应定义：晶闸管从门极触发导通后，即使撤去触发信号，仍能依靠内部正反馈维持导通的现象。

（2）物理机制：晶闸管由PNPN四层结构组成（等效为PNP和NPN晶体管T1、T2的互联）。当门极加正向触发电流Ig时，T2基极电流Ib2增大，其集电极电流Ic2=β2×Ib2增大；Ic2作为T1的基极电流Ib1，使T1集电极电流Ic1=β1×Ib1增大；Ic1又注入T2基极，形成正反馈（Ic1↑→Ib2↑→Ic2↑→Ib1↑），最终α1+α2≥1（α为各晶体管的共基极电流放大系数），晶闸管进入完全导通