電力電子學(xué)課后題答案第三章

1、第 3 章復(fù)習(xí)題及思考題解答1.直流 / 直流電壓變換中開關(guān)器件的占空比D 是什么？推證圖3.1(c)所示脈寬時(shí)間為Ton 、脈寬角度為、周期為TS 、幅值為VS 的方波脈沖電壓vO ( t) 的直流平均值及各次諧波的幅值。圖 3.1Buck 變換器電路結(jié)構(gòu)及降壓答：占空比D 是開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間Ton 與開關(guān)周期TS 的比值。圖3.1(c)中 方 波 脈 沖 電 壓 vO (t) 可 以 表 示 為 如 下 傅 里 葉 表 達(dá) 式 ：VO ( t )DV S2VS)cos( nt) ，其中常數(shù)項(xiàng)為直流平均值，即 VODVS ，各sin( nDn 1 nan2VSsin( n )2VS余弦項(xiàng)為各次

2、諧波，其幅值為：nsin( nD ) 。2n2. 脈沖寬度調(diào)制 PWM和脈沖頻率調(diào)制PFM的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？答：脈沖寬度調(diào)制方式PWM，保持 TS 不變（開關(guān)頻率不變），改變 Ton調(diào)控輸出電壓V0 ；脈沖頻率調(diào)制方式PFM，保持 Ton 不變，改變開關(guān)頻率或周期調(diào)控輸出電壓V0 。實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用PWM方式。因?yàn)椴捎枚lPWM開關(guān)時(shí)，輸出電壓中諧波的頻率固定，濾波器設(shè)計(jì)容易，開關(guān)過程所產(chǎn)生電磁干擾容易控制。此外由控制系統(tǒng)獲得可變脈寬信號(hào)比獲得可變頻率信號(hào)容易實(shí)現(xiàn)。但是在諧振軟開關(guān)變換器中為了保證諧振過程的完成，采用PFM控制較容易實(shí)現(xiàn)。3. Buck 變換器中電感電流的脈動(dòng)和輸出電壓的脈動(dòng)與

3、哪些因數(shù)有關(guān)，試從物理上給以解釋。答：電感電流的脈動(dòng)量與電感量L 、開關(guān)頻率fS 、輸入電壓VS 、輸出電壓VO 有關(guān)，輸出電壓的脈動(dòng)量與電感量L 、電容量C 、開關(guān)頻率fS 、輸出電壓VO 有關(guān)。電感量L 、電容量 C 越大其濾波效果越好，而開關(guān)頻率fS 越高，濾波電感的交流阻抗L 就越大，它對(duì)直流電壓的阻抗基本為0，同時(shí)濾波電容的交流阻抗1/C 越小。4. Buck變換器斷流工況下的變壓比M 與哪些因數(shù)有關(guān)，試從物理上給以解釋。答： Buck 變換器在電流斷續(xù)工況下其變壓比M 不僅與占空比D 有關(guān)，還與負(fù)載電流I O1的大小、電感L 、開關(guān)頻率fS 以及電壓VO 等有關(guān)。5. 圖 3.2(

4、a)、3.5(a) 電路穩(wěn)態(tài)時(shí)在一個(gè)開關(guān)周期中，電感電流的增量IL 0，電感 L的磁通增量是否為零，為什么？電容C 的電流平均值為零，電容C 端電壓的增量是否為零，為什么？答：電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流的增量I L 0 ，同時(shí)電感L 的磁通增量0 ，因?yàn)槿绻粋€(gè)周期內(nèi)電感的磁通增量0 ，那么電感上的磁通將無法復(fù)位，也即電感上的能量不斷累積，最終將達(dá)到飽和，甚至燒毀電感，所以穩(wěn)態(tài)工作時(shí)應(yīng)使一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感L 的磁通增量0 。電容 C 的電流平均值為0，那么電容 C 端電壓的增量也為0，因?yàn)榉€(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)周期內(nèi)電容上的充電電荷等于放電電荷，即電容上電荷增量Q 0 ，而電容端電壓增量uC

5、Q0。，故電容 C 端電壓的增量也為C6. Buck變換器中電流臨界連續(xù)是什么意思？當(dāng)負(fù)載電壓VO 、電流 I O 一定時(shí)在什么條件下可以避免電感電流斷流?答： Buck變換器中電感電流臨界連續(xù)是指處于電感電流連續(xù)和電感電流斷流兩種工況的臨界點(diǎn)的工作狀態(tài)。這時(shí)在開關(guān)管阻斷期結(jié)束時(shí)，電感電流剛好降為零。當(dāng)負(fù)載電壓VO 、電流 I O 一定時(shí)增大電感量L 和提高開關(guān)頻率fS 都可以避免電感電流斷流。7. 開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)直流升壓變換的基本原理是什么？答：為了獲得高于電源電壓VS 的直流輸出電壓VO ，一個(gè)簡單而有效的辦法是在變換器開關(guān)管前端插入一個(gè)電感L，如右圖所示。在開關(guān)管T 關(guān)斷時(shí)，利用圖中電感線

6、圈L 在其電流減小時(shí)所產(chǎn)生的反電勢(shì)eL ( 在電感電流減小時(shí)，eLLdi L / dt 為正值 ) ，將此電感反電勢(shì)eL 與電源電壓 VS 串聯(lián)相加送至負(fù)載，則負(fù)載就可獲得高于電源電壓VS 的直流電壓VO ，從而實(shí)現(xiàn)直流升壓變換。8. Boost變換器為什么不宜在占空比D 接近1 的情況下工作？答：因?yàn)樵贐oost 變換器中，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源與負(fù)載脫離，其能量全部儲(chǔ)存在電感中，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，能量才從電感中釋放到負(fù)載。如果占空比D 接近于1 ，那么開關(guān)接近于全導(dǎo)通狀態(tài)，幾乎沒有關(guān)斷時(shí)間，那么電感在開關(guān)管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的能量沒有時(shí)間釋放，將造成電感飽和，直至燒毀。因此Boost 變換器不宜在占空

7、比D接近 1的情況下工作。同時(shí)，從 Boost 變換器在電感電流連續(xù)工況時(shí)的變壓比表達(dá)式M VO /VS1/ (1 D)也可以看出，當(dāng)占空比D 接近 1 時(shí)，變壓比M 接近于無窮大，這顯然與實(shí)際不符，將造成電路無法正常工作。29. 升壓 - 降壓變換器（ Cuk 變換器）的工作原理及主要優(yōu)點(diǎn)是什么？答： Cuk變換器在一個(gè)開關(guān)周期中，Ton 期間，令開關(guān)管T 導(dǎo)通，這時(shí)電源經(jīng)電感L1 和T 短路， L1 電流線性增加，電源將電能變?yōu)殡姼蠰1 儲(chǔ)能， 與此同時(shí)電容C1經(jīng) T 對(duì) C2及負(fù)載放電，并使電感L2 電流增大而儲(chǔ)能。在隨后的Toff 期間，開關(guān)管T 阻斷，電感 L1電流經(jīng)電容 C1 及二

8、極管D 續(xù)流，此時(shí)，電感L2也經(jīng)D 續(xù)流， L2 的磁能轉(zhuǎn)化為電能對(duì)負(fù)載供電。Cuk變換器的優(yōu)點(diǎn)是僅用一個(gè)開關(guān)管使電路同時(shí)具有升、降壓功能；而且該變換器輸入輸出電流脈動(dòng)小。10.如何理解Cuk變換器中間電容電壓VC1 等于電源電壓VS 與負(fù)載電壓VO 之和，即VC1VSVO ？答：電感電壓 vLd/ dtL di / dt ，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)開關(guān)周期TS中電感 L1、L2電流增量為零， 磁鏈增量為零，電感兩端電壓的直流平均值為零。因此 Cuk 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可直接得到直流平均電壓VC1VSVO 。11. 直流 / 直流四象限變換器的四象限指的是什么？直流電機(jī)四象限運(yùn)行中的四象限指的是什么？這兩

9、種四象限有什么對(duì)應(yīng)關(guān)系？3答：直流 / 直流四象限變換器的四象限指的是變換器的輸出電壓VAB 、輸出電流I AB 均可正可負(fù)的四種組合。直流電機(jī)四象限運(yùn)行中的四象限指的是電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩可正可負(fù)的四種組合。對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速有： NEaVAB Ra I ABVABK eK e； 對(duì) 于 電 機(jī) 的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 Te ：K eTe K TI AB 。在勵(lì)磁電流不變、磁通不變時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩大小和方向由VAB 、 I AB 決定。通過改變 VAB 的大小及I AB 的大小和方向，調(diào)控電機(jī)在正方向下旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩 Te 的大小和方向，既可使直流電機(jī)在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下變速運(yùn)行亦可在發(fā)電機(jī)

10、制動(dòng)狀態(tài)下變速運(yùn)行。因此直流/ 直流四象限變換器的四象限和直流電機(jī)運(yùn)行中的四象限之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖3.9(d)所示。12.多重、多相直流/ 直流變換器中，多重（重?cái)?shù)m1），多相（相數(shù)n1 ）指的是什么意義？多重、多相變換器的優(yōu)點(diǎn)是什么？答： 假定變換器中每個(gè)開關(guān)管通斷周期都是TS ，多重（重?cái)?shù)m 1 ）是指： 在一個(gè)TS 周期中變換器負(fù)載電流iO (t ) 脈動(dòng) m 次（ m1 ），即 iO (t) 脈動(dòng)頻率為mfS 。多相（相數(shù) n1 ）是指：在一個(gè)TS 周期中變換器電源側(cè)電流iS (t) 脈動(dòng) n 次，即 iS (t) 脈動(dòng)頻率為nfS 。多重、多相變換器的優(yōu)點(diǎn)是：其輸出電壓、

11、輸入電流脈動(dòng)頻率比單個(gè)變換電路成倍地提高，因而可以顯著改善變換器輸入、輸出特性或者減少變換器對(duì)LC 濾波器重量體積的要求，同時(shí)多重、多相復(fù)合變換器還能擴(kuò)大變換器的輸出容量。13.說明單端正激、單端反激DC/DC 變換器工作原理。答：單端正激DC/DC 變換器從電路結(jié)構(gòu)、工作原理上可以看出它是帶隔離變壓器的Buck電路，如圖 3.11(b)所示，開關(guān)管T 導(dǎo)通時(shí)經(jīng)變壓器將電源能量直送負(fù)載被稱為正激。但是匝比 N 2 / N1 不同時(shí)，輸出電壓平均值VO 可以低于也可高于電源電壓VS 。變壓器磁通只在單方向變化被稱為單端。圖 3.12(b) 所示為單端反激DC/DC 變換器， T 導(dǎo)通期間，電源電壓VS 加至 N1 繞組，電流 i1 直線上升、電感L1 儲(chǔ)能增加，副方繞組N2 的感應(yīng)電勢(shì) eDF0 ，二極管 D1 截止，負(fù)載電流由電容 C 提供， C 放電；在 T 阻斷的期間，N1 繞組的電流轉(zhuǎn)移到N2 ，感應(yīng)電勢(shì)DFe0（反向?yàn)檎?，使DC 充電。該變換器在開關(guān)1 導(dǎo)電，將磁能變?yōu)殡娔芟蜇?fù)載供電并使電容管 T 導(dǎo)通時(shí)并未將電源能量直送負(fù)載，僅在 T 阻斷的期間才將變壓器電感磁能變?yōu)殡娔芩椭霖?fù)載故稱之為反激，此外變壓器磁通也只在單方向變化，故該電路被稱為