电力电子学课后题答案第三章

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1、第 3 章复习题及思考题解答1.直流 / 直流电压变换中开关器件的占空比D 是什么？推证图3.1(c)所示脉宽时间为Ton 、脉宽角度为、周期为TS 、幅值为VS 的方波脉冲电压vO ( t) 的直流平均值及各次谐波的幅值。图 3.1Buck 变换器电路结构及降压答：占空比D 是开关管导通时间Ton 与开关周期TS 的比值。图3.1(c)中 方 波 脉 冲 电 压 vO (t) 可 以 表 示 为 如 下 傅 里 叶 表 达 式 ：VO ( t )DV S2VS)cos( nt) ，其中常数项为直流平均值，即 VODVS ，各sin( nDn 1 nan2VSsin( n )2VS余弦项为各次

2、谐波，其幅值为：nsin( nD ) 。2n2. 脉冲宽度调制 PWM和脉冲频率调制PFM的优缺点是什么？答：脉冲宽度调制方式PWM，保持 TS 不变（开关频率不变），改变 Ton调控输出电压V0 ；脉冲频率调制方式PFM，保持 Ton 不变，改变开关频率或周期调控输出电压V0 。实际应用中广泛采用PWM方式。因为采用定频PWM开关时，输出电压中谐波的频率固定，滤波器设计容易，开关过程所产生电磁干扰容易控制。此外由控制系统获得可变脉宽信号比获得可变频率信号容易实现。但是在谐振软开关变换器中为了保证谐振过程的完成，采用PFM控制较容易实现。3. Buck 变换器中电感电流的脉动和输出电压的脉动与

3、哪些因数有关，试从物理上给以解释。答：电感电流的脉动量与电感量L 、开关频率fS 、输入电压VS 、输出电压VO 有关，输出电压的脉动量与电感量L 、电容量C 、开关频率fS 、输出电压VO 有关。电感量L 、电容量 C 越大其滤波效果越好，而开关频率fS 越高，滤波电感的交流阻抗L 就越大，它对直流电压的阻抗基本为0，同时滤波电容的交流阻抗1/C 越小。4. Buck变换器断流工况下的变压比M 与哪些因数有关，试从物理上给以解释。答： Buck 变换器在电流断续工况下其变压比M 不仅与占空比D 有关，还与负载电流I O1的大小、电感L 、开关频率fS 以及电压VO 等有关。5. 图 3.2(

4、a)、3.5(a) 电路稳态时在一个开关周期中，电感电流的增量IL 0，电感 L的磁通增量是否为零，为什么？电容C 的电流平均值为零，电容C 端电压的增量是否为零，为什么？答：电路处于稳态时，在一个开关周期内电感电流的增量I L 0 ，同时电感L 的磁通增量0 ，因为如果一个周期内电感的磁通增量0 ，那么电感上的磁通将无法复位，也即电感上的能量不断累积，最终将达到饱和，甚至烧毁电感，所以稳态工作时应使一个开关周期内电感L 的磁通增量0 。电容 C 的电流平均值为0，那么电容 C 端电压的增量也为0，因为稳态时一个周期内电容上的充电电荷等于放电电荷，即电容上电荷增量Q 0 ，而电容端电压增量uC

5、Q0。，故电容 C 端电压的增量也为C6. Buck变换器中电流临界连续是什么意思？当负载电压VO 、电流 I O 一定时在什么条件下可以避免电感电流断流?答： Buck变换器中电感电流临界连续是指处于电感电流连续和电感电流断流两种工况的临界点的工作状态。这时在开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。当负载电压VO 、电流 I O 一定时增大电感量L 和提高开关频率fS 都可以避免电感电流断流。7. 开关电路实现直流升压变换的基本原理是什么？答：为了获得高于电源电压VS 的直流输出电压VO ，一个简单而有效的办法是在变换器开关管前端插入一个电感L，如右图所示。在开关管T 关断时，利用图中电感线

6、圈L 在其电流减小时所产生的反电势eL ( 在电感电流减小时，eLLdi L / dt 为正值 ) ，将此电感反电势eL 与电源电压 VS 串联相加送至负载，则负载就可获得高于电源电压VS 的直流电压VO ，从而实现直流升压变换。8. Boost变换器为什么不宜在占空比D 接近1 的情况下工作？答：因为在Boost 变换器中，开关管导通时，电源与负载脱离，其能量全部储存在电感中，当开关管关断时，能量才从电感中释放到负载。如果占空比D 接近于1 ，那么开关接近于全导通状态，几乎没有关断时间，那么电感在开关管导通期间储存的能量没有时间释放，将造成电感饱和，直至烧毁。因此Boost 变换器不宜在占空

7、比D接近 1的情况下工作。同时，从 Boost 变换器在电感电流连续工况时的变压比表达式M VO /VS1/ (1 D)也可以看出，当占空比D 接近 1 时，变压比M 接近于无穷大，这显然与实际不符，将造成电路无法正常工作。29. 升压 - 降压变换器（ Cuk 变换器）的工作原理及主要优点是什么？答： Cuk变换器在一个开关周期中，Ton 期间，令开关管T 导通，这时电源经电感L1 和T 短路， L1 电流线性增加，电源将电能变为电感L1 储能， 与此同时电容C1经 T 对 C2及负载放电，并使电感L2 电流增大而储能。在随后的Toff 期间，开关管T 阻断，电感 L1电流经电容 C1 及二

8、极管D 续流，此时，电感L2也经D 续流， L2 的磁能转化为电能对负载供电。Cuk变换器的优点是仅用一个开关管使电路同时具有升、降压功能；而且该变换器输入输出电流脉动小。10.如何理解Cuk变换器中间电容电压VC1 等于电源电压VS 与负载电压VO 之和，即VC1VSVO ？答：电感电压 vLd/ dtL di / dt ，稳态运行时，一个开关周期TS中电感 L1、L2电流增量为零， 磁链增量为零，电感两端电压的直流平均值为零。因此 Cuk 电路拓扑结构图可直接得到直流平均电压VC1VSVO 。11. 直流 / 直流四象限变换器的四象限指的是什么？直流电机四象限运行中的四象限指的是什么？这两

9、种四象限有什么对应关系？3答：直流 / 直流四象限变换器的四象限指的是变换器的输出电压VAB 、输出电流I AB 均可正可负的四种组合。直流电机四象限运行中的四象限指的是电机的转速和电磁转矩可正可负的四种组合。对于电机的转速有： NEaVAB Ra I ABVABK eK e； 对 于 电 机 的 电 磁 转 矩 Te ：K eTe K TI AB 。在励磁电流不变、磁通不变时电机的转速、电磁转矩大小和方向由VAB 、 I AB 决定。通过改变 VAB 的大小及I AB 的大小和方向，调控电机在正方向下旋转时的转速及电磁转矩 Te 的大小和方向，既可使直流电机在电动机状态下变速运行亦可在发电机

10、制动状态下变速运行。因此直流/ 直流四象限变换器的四象限和直流电机运行中的四象限之间存在一一对应的关系，如图3.9(d)所示。12.多重、多相直流/ 直流变换器中，多重（重数m1），多相（相数n1 ）指的是什么意义？多重、多相变换器的优点是什么？答： 假定变换器中每个开关管通断周期都是TS ，多重（重数m 1 ）是指： 在一个TS 周期中变换器负载电流iO (t ) 脉动 m 次（ m1 ），即 iO (t) 脉动频率为mfS 。多相（相数 n1 ）是指：在一个TS 周期中变换器电源侧电流iS (t) 脉动 n 次，即 iS (t) 脉动频率为nfS 。多重、多相变换器的优点是：其输出电压、

11、输入电流脉动频率比单个变换电路成倍地提高，因而可以显著改善变换器输入、输出特性或者减少变换器对LC 滤波器重量体积的要求，同时多重、多相复合变换器还能扩大变换器的输出容量。13.说明单端正激、单端反激DC/DC 变换器工作原理。答：单端正激DC/DC 变换器从电路结构、工作原理上可以看出它是带隔离变压器的Buck电路，如图 3.11(b)所示，开关管T 导通时经变压器将电源能量直送负载被称为正激。但是匝比 N 2 / N1 不同时，输出电压平均值VO 可以低于也可高于电源电压VS 。变压器磁通只在单方向变化被称为单端。图 3.12(b) 所示为单端反激DC/DC 变换器， T 导通期间，电源电

12、压VS 加至 N1 绕组，电流 i1 直线上升、电感L1 储能增加，副方绕组N2 的感应电势 eDF0 ，二极管 D1 截止，负载电流由电容 C 提供， C 放电；在 T 阻断的期间，N1 绕组的电流转移到N2 ，感应电势DFe0（反向为正） ，使DC 充电。该变换器在开关1 导电，将磁能变为电能向负载供电并使电容管 T 导通时并未将电源能量直送负载，仅在 T 阻断的期间才将变压器电感磁能变为电能送至负载故称之为反激，此外变压器磁通也只在单方向变化，故该电路被称为单端反激DC/DC变换器。414.具有中间交流环节变压器隔离的半桥、全桥和推挽型DC/AC-AC/DC变换器各有哪些优点？答：三种变换器都有高频隔离变压器，输入输出侧实现了电气隔离，高频变压器体积、重量小；输出LC 滤波器主要滤除高频谐波，LC 滤波器比较小；主电路高频开关可以采用软开关工作模式，从而减小开关损耗；输出既可以实现升压又可以实现降压，电压调控范围宽。56