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。驅(qū)動(dòng)番號(hào)尸2苴：Eft驅(qū)動(dòng)信號(hào)及輸出電樂被堰圖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)周期飛的比值。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)DVS玉sin(nD/)cos(nt),其中常數(shù)項(xiàng)為直流平均值，即VODVS，各n1n冗人一，一,2VS2VS一余弦項(xiàng)為各次諧波，其幅值為：an-sin(n)-sin(nDon九2n冗2.

2、 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、

3、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，濾波電感白交流阻抗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IO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(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IL0,電感L的磁通增量是否為零，為什么？電容C的電

4、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IL0,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(wèi)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Q0,而電容端電壓增量Uc,故電容C端電壓的增量也為0。Cfi)3.2(a)5(H)編輯版word6. 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IO一定時(shí)在

5、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Io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?Vs的直流電壓Vo,從而實(shí)現(xiàn)直答：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)，利用圖中電感線圈L在其電流減小時(shí)所產(chǎn)生的反電勢eL(在電感電流減小時(shí)，eLLdiL/dt為正值)，將此電感反電勢eL與電源電壓V

6、s串聯(lián)相加送至負(fù)載，則負(fù)載就可獲得高于電源電壓流升壓變換。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MVO/VS1/(1D)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

7、電路無法正常工作。9. 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，Li電流線性增加，電源將電能變?yōu)殡姼蠰i儲(chǔ)能，與此同時(shí)電容Ci經(jīng)TXC2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Ci及二極管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VCi等于電源電壓VS與負(fù)載電壓VO之和，即VC

8、iVSVO？答：電感電壓vLd/dtLdi/dt,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)開關(guān)周期TS中電感Li、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VCiVSVO。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？這兩種四象限有什么對(duì)應(yīng)關(guān)系？編輯版 word融囚喋陽17就7三沈變接電就4用第一.第二段串南交換電博1<-1第三.第月泗筆限空卷也戴T式耳1防卿曩/-。3瑞.% A （I居=。 r*B用dEilirN與E值r也流從R-A3皿A ft 小 %罪，工力01值，0產(chǎn)與鳴了尸于石琉圓罩限 Nf A

9、.X 0 門加獷。丁4口/迪析擰換，產(chǎn)弘=門乙10。，/-小 Ku為負(fù)值.M %優(yōu)街，噌心從R-K J岫為擊憶及為她伯， a£W %TJDjWfiWJL A,o-J»k 與 a 0司中 日為啦妣，州比州他,電魂兒兒-X，1仙A正 _ 公 一 E：俏,乙 為 ilifH.%，'廠（2） -B4d祖斷轉(zhuǎn)攜.rJB-Dtg.*>$相=%R為iE值，N為正仰UI機(jī)瓶從A-“肝為正擾，外為正值L編輯版word國39回做用豆裝直霰史候H時(shí)宜京電電便俄電答：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1AB均可正可負(fù)的四種組合。直流電機(jī)四象限運(yùn)行中的

10、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：N-E=VAB-Ra莊&丫膽；對(duì)于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te：KeKeKeTeKtIab。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、1AB決定。通過改變Vab的大小及Iab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)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

11、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)m1）是指：在一個(gè)Ts周期中變換器負(fù)載電流b（t）脈動(dòng)m次（m1）,即b（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、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

12、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N2/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Ni繞組，電流ii直線上升、電感L1儲(chǔ)能增加，副方繞組N2的感應(yīng)電勢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6df0(反向?yàn)檎?，使D1導(dǎo)電，將磁能變?yōu)殡娔芟蜇?fù)載供電并使電容C充電。該變換器在開關(guān)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，故該電路被稱為單端反激DC/DC(bl單痢止激U&DC受鐵普?qǐng)D3 11 口/1：變換器和單端正律口。工變疑器單新反源變爬距變換器。£33.12五明上一E3G或及器和半端反激”/口:變換器14 .具有中間交流環(huán)節(jié)變壓器