電力電子技術(shù)第二版張興課后習(xí)題答案

1、、簡答題2.1 晶閘管串入如圖所示的電路，試分析開關(guān)閉合和關(guān)斷時電壓表的讀數(shù)。題2.1圖在晶閘管有觸發(fā)脈沖的情況下，S開關(guān)閉合，電壓表讀數(shù)接近輸入直流電壓；當(dāng)S開關(guān)斷開時，由于電壓表內(nèi)阻很大，即使晶閘管有出發(fā)脈沖， 但是流過晶閘管電流低于擎住電流， 晶閘管關(guān)斷，電壓表讀數(shù)近似為0 （管子漏電流形成的電阻與電壓表內(nèi)阻的分壓值）。2.2 試說明電力電子器件和信息系統(tǒng)中的電子器件相比，有何不同。電力電子系統(tǒng)中的電子器件具有較大的耗散功率；通常工作在開關(guān)狀態(tài)； 需要專門的驅(qū)動電路來控制；需要緩沖和保護(hù)電路。2.3 試比較電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型器件實(shí)現(xiàn)器件通斷的原理。電流驅(qū)動型器件通過從控制極注入和抽出

2、電流來實(shí)現(xiàn)器件的通斷；電壓驅(qū)動型器件通過在控制極上施加正向控制電壓實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通，通過撤除控制電壓或施加反向控制電壓使器件關(guān)斷。2.4 普通二極管從零偏置轉(zhuǎn)為正向偏置時，會出現(xiàn)電壓過沖，請解釋原因。導(dǎo)致電壓過沖的原因有兩個：阻性機(jī)制和感性機(jī)制。 阻性機(jī)制是指少數(shù)載流子注入的電導(dǎo)調(diào)制作用。電導(dǎo)調(diào)制使得有效電阻隨正向電流的上升而下降，管壓降隨之降低，因此正向電壓在到達(dá)峰值電壓 Ufp后轉(zhuǎn)為下降，最后穩(wěn)定在Uf。感性機(jī)制是指電流隨時間上升在器件內(nèi)部電感上產(chǎn)生壓降，di/dt越大，峰彳1電壓 Ufp越高。2.5 試說明功率二極管為什么在正向電流較大時導(dǎo)通壓降仍然很低，且在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通時 其管壓降隨電流的大小

3、變化很小。若流過PN結(jié)的電流較小，二極管的電阻主要是低摻雜N-區(qū)的歐姆電阻，阻值較高且為常數(shù)，因而其管壓降隨正向電流的上升而增加；當(dāng)流過 PN結(jié)的電流較大時，注入并積 累在低摻雜 N-區(qū)的少子空穴濃度將增大，為了維持半導(dǎo)體電中性條件，其多子濃度也相應(yīng) 大幅度增加，導(dǎo)致其電阻率明顯下降，即電導(dǎo)率大大增加，該現(xiàn)象稱為電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。2.6 比較肖特基二極管和普通二極管的反向恢復(fù)時間和通流能力。從減小反向過沖電 壓的角度出發(fā)，應(yīng)選擇恢復(fù)特性軟的二極管還是恢復(fù)特性硬的二極管？肖特基二極管反向恢復(fù)時間比普通二極管短，通流能力比普通二極管小。 從減少反向過沖電壓的角度出發(fā)，應(yīng)選擇恢復(fù)特性軟的二極管。2.7

4、描述晶閘管正常導(dǎo)通的條件。承受正向電壓且有門極觸發(fā)電流。2.8 維持晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？晶閘管流過的電流大于維持電流，通過外部電路使晶閘管流過的電流低于維持電流。2.9 試分析可能出現(xiàn)的晶閘管的非正常導(dǎo)通方式有哪幾種。Ig=0時陽極電壓達(dá)到正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo；陽極電壓上升率 du/dt過高；結(jié)溫過高。2.10 試解釋為什么Power MOSFET 的開關(guān)頻率高于IGBT 、 GTO 。Power MOSFET 為單極性器件，沒有少數(shù)載流子存貯效應(yīng)，反向恢復(fù)時間很短。2.11 從最大容量、開關(guān)頻率和驅(qū)動電路三方面比較SCR、 Power MOSFET 和 IG

5、BT 的特性。最大容量遞增順序?yàn)?Power MOSFET、IGBT、SCR開關(guān)頻率遞增順序?yàn)?SCR IGBT、Power MOSFET; SCR為電流型驅(qū)動；而 Power MOSFET和IGBT為電壓型驅(qū)動。2.12 解釋電力電子裝置產(chǎn)生過電壓的原因。電力電子裝置可能的過電壓原因分為外因和內(nèi)因。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，如由分閘、合閘等開關(guān)操作引起過電壓。而內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程。1）換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會因線路電感

6、在器件兩端感應(yīng)出過電壓；2）關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。2.13 在電力電子裝置中常用的過電流保護(hù)有哪些？快速熔斷器、快速斷路器和過電流繼電器都是專用的過電流保護(hù)裝置，還有通過驅(qū)動實(shí)施保護(hù)的電子電路過流保護(hù)。2.14 試分析電力電子器件串并聯(lián)使用時可能出現(xiàn)什么問題及解決方法。采用多個功率管串聯(lián)時，應(yīng)考慮斷態(tài)時的均壓問題。應(yīng)在功率管兩端并聯(lián)電阻均衡靜態(tài)壓降，并聯(lián)RC 電路均衡動態(tài)壓降。采用多個功率管并聯(lián)時，應(yīng)考慮功率管間的均流問題。在進(jìn)行并聯(lián)使用時，應(yīng)盡選擇同一型號且同一生產(chǎn)批次的產(chǎn)品，使其靜態(tài)和動態(tài)特性均比較接近。其中功率MOSFET 溝

7、道電阻具備正溫度系數(shù)，易于并聯(lián)。2.15 電力電子器件為什么加裝散熱器？與信息系統(tǒng)中的電子器件主要承擔(dān)信號傳輸任務(wù)不同，電力電子器件處理的功率較大，具有較高的導(dǎo)通電流和阻斷電壓。由于自身的導(dǎo)通電阻和阻斷時的漏電流，電力電子器件要產(chǎn)生較大的耗散功率，往往是電路中主要的發(fā)熱源。為便于散熱，電力電子器件往往具有較大的體積，在使用時一般都要安裝散熱器，以限制因損耗造成的溫升。二、計算題2.16 在題2.16圖中，電源電壓有效值為 20V,問晶閘管承受的正反向電壓最高是多少? 考慮安全裕量為2,其額定電壓應(yīng)如何選取？編輯版word正反向電壓最高是 2042V ,考慮安全裕量，額定電壓選取 4072V2.

8、17 如圖所示，U為正弦交流電u的有效值，VD為二極管，忽略 VD的正向壓降及反向電流的情況下，說明電路工作原理，畫出通過 直流電流表A的讀數(shù)。Ri的電流波形，并求出交流電壓表V和當(dāng)u0時，VD正向?qū)?iiR2被短路，則流過Ri電流ii和R2上電流i2分別為:屋 2U/R1)sin ti200,冗0,冗當(dāng)u0時，VD截止，Ri和R2構(gòu)成串聯(lián)電路，電流為:ii =i2且 sin tRiR2t (區(qū)2冗)Ri上電流波形如圖所示,I 2d2U(Ri R2)冗因?yàn)橹绷麟娏鞅頊y的是電流的平均值，所以電流表A的指示為i2平均值I2d,i 2K 2Usin td( t)2L 電R2設(shè)ii的有效值為Ii,則

9、:i工同-sin2冗 0 Rid( t)2K 72u sin7t Ri R2t d( t)2R22( Ri R2)22(Ri R2)2 2R2u2Ri(RiR2)設(shè)電壓表V指示有效值為Uri,則:Uri IiR,2(Ri R2)2 2R2(Ri R2)編輯版word一、簡答題3.1 試簡述4種基本DC-DC變換器電路構(gòu)建的基本思路與方法。1) Buck型DC-DC電壓變換器構(gòu)建的基本思路： 構(gòu)建Buck型DC-DC電壓變換器的基本原理電路，輸入電壓源 Ui通過開關(guān)管VT 與負(fù)載Rl相串聯(lián)。開關(guān)管 VT導(dǎo)通時，輸出電壓等于輸入電壓，即 Uo=Ui；開關(guān)管VT斷開 時，輸出電壓等于零，即 Uo=0

10、。輸出電壓的平均值為 Uo = (Ui ton + 0 - toff)/T= D Ui,由于D 1, UoUi該電路起到了降壓變換的基本功能。電路結(jié)構(gòu)和工作模型見下圖。 Buck型電壓變換電路的輸出電壓呈方波脈動，為抑制輸出電壓脈動需要在基本原理電路的輸出端兩側(cè)并入濾波電容C。電路結(jié)構(gòu)見下圖。十Uo人VTI +O_UC=Rl 由于UoWUi,開關(guān)管VT導(dǎo)通時，電壓源將對濾波電容 C充電，充電電流很大，相當(dāng)于輸入輸出被短路，以至于開關(guān)管VT所受的電流應(yīng)力大大增加而損壞。為了限制開關(guān)管VT導(dǎo)通時的電流應(yīng)力，可將緩沖電感L串入開關(guān)管 VT的支路中。電路結(jié)構(gòu)見下圖。VTrvvvxC -TRl十Uo 開

11、關(guān)管VT關(guān)斷時緩沖電感 L中電流的突變?yōu)?,將感應(yīng)出過電壓，使開關(guān)管 VT 的電壓應(yīng)力大大增加， 為此需加入續(xù)流二極管 VD緩沖電感釋放能量提供續(xù)流回路。 電路結(jié) 構(gòu)見下圖。LVTu uvd c 二二 RL r uo2) boost型DC-DC電壓變換器構(gòu)建的基本思路 構(gòu)建boost型DC-DC電壓變換器的基本原理電路，輸入電流源Ii通過開關(guān)管VT與負(fù)載Rl相并聯(lián)。開關(guān)管VT關(guān)斷時，輸出電流等于輸入電流， 即io=Ii；開關(guān)管VT導(dǎo)通時， 輸出電流等于零，即io=0。輸出電流的平均值為Io=(0 ton+Ii . toff)/T=(1- D) Ii,由于1-DW 1, IoIio該電路起到了降

12、流變換的基本功能。電路結(jié)構(gòu)見下圖。 boost型電流變換電路的輸出電流呈方波脈動，為抑制輸出電流脈動，需要在基本原理電路的輸出支路中串入濾波電感L。電路結(jié)構(gòu)見下圖。由于Io0的時間段對電感 L利用伏秒平衡特性有：（Ui Uo） ton Uo toff oUotonGV Uiton toff1DD1與導(dǎo)通占空比D已不是線性關(guān)系。開關(guān)管VT導(dǎo)通時間段（ton時間段）的電流增量 AiL+與二極管VD續(xù)流時間段（toffl 時間段）的電流增量 AiL-相等且等于電感電流最大值 ILmax。Ui UoUoIl+1DTsIl-LDTsI Lmax穩(wěn)態(tài)條件下，由于電容 C中的平均電流為零，因此，電感電流斷續(xù)

13、時的電感平均電流Il等于負(fù)載平均電流Io ,即 I L= Io。Il H tonTs 2，,1toff I Lmax(D D1)ILmax21Io (D2Ui UoD1)DTsLUoR由上述三式可得Gv電感電流斷續(xù)的情況下fs、以及輸出電流Uo有關(guān)。4 IoD2 Uo/2LfsGv不僅與占空比 D有關(guān)，還與電感 L、負(fù)載電流I。、開關(guān)頻率3.5 Boost變換器為什么不宜在占空比D接近1的情況下工作?因?yàn)樵贐oost變換器中，開關(guān)管導(dǎo)通時，電源與負(fù)載脫離，其能量全部儲存在電感中,當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，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)斷時間， 那么電

14、感在開關(guān)管導(dǎo)通期間儲存的能量沒有時間釋放,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，從Boost變換器在電感電流連續(xù)工況時的變壓比表達(dá)式M Vo/Vs 1/（1 D）也可以看出,當(dāng)占空比D接近1時，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。3.6 解釋降壓斬波電路和升壓斬波電路的電容、電感、二極管各起什么作用？降壓型斬波電路中，電感L和電容C的主要作用是濾波，同時電感L的儲能將保持負(fù)載電流的連續(xù)，電容 C可穩(wěn)定輸出電壓 U。二極管為主開關(guān)管關(guān)斷時的負(fù)載電流續(xù)流二極升壓型斬波電路中，電感 L為開關(guān)管開通時的儲能元件，電容C為開

15、關(guān)管關(guān)斷時的儲能元件。二極管為兩種模式轉(zhuǎn)換過程中的隔離開關(guān)元件，開關(guān)管開通時二極管關(guān)斷，開關(guān)管 關(guān)斷時二極管開通。3.7 簡述伏秒平衡和安秒平衡原則，并分別用兩種方法分析 Cuk變換器的輸出/輸入關(guān)系。(1) 電感電壓的伏秒平衡特性穩(wěn)態(tài)條件下，理想開關(guān)變換器中的電感電壓必然周期性重復(fù)，由于每個開關(guān)周期中電感的儲能為零，并且電感電流保持恒定，因此，每個開關(guān)周期中電感電壓Ul的積分恒為零,即：TstonTsuLdtuLdtuLdt 000ton電容電流的安秒平衡特性穩(wěn)態(tài)條件下，理想開關(guān)變換器中的電容電流必然周期性重復(fù)，而每個開關(guān)周期中電的儲能為零，并且電容電壓保持恒定，因此，每個開關(guān)周期中電容電流

16、ic的積分恒為零，即TstonTsicdticdticdt 0070 -3(2) Cuk變換器電感電流連續(xù)時： 對電感Li,L2分別利用伏秒平衡特性進(jìn)行分析有UitonUci Ui toffUo Uci tonUo(Ts a)得到穩(wěn)態(tài)電壓增益Uo tonUiTston 對電容c利用安秒平衡特性進(jìn)行分析有I o tonIi (Tston )根據(jù)理想變換器輸入輸出功率平衡原理得到穩(wěn)態(tài)電壓增益1 Ii ton DGv_GIoTston 1D當(dāng)1/2vDv1時，即cuk變換器的穩(wěn)態(tài)電壓增益 Gv1,則Cuk變換器具有升壓 特性；而當(dāng) 0V D 1/2時，即cuk變換器的穩(wěn)態(tài)電壓增益 Gv 1,則Cuk

17、變換器具有 降壓特性。因此，Cuk變換器是升、降壓變換器，并且其輸入、輸出電壓具有相反的極性（3） Cuk變換器電感電流斷續(xù)時3.1 對電感L1、L2分別利用伏秒平衡特性進(jìn)行分析有UitonUc1 Ui toff1（Uo UQtonU otoff1其中Cuk變換器中的二極管續(xù)流時間為toff1得到穩(wěn)態(tài)電壓增益GvU2Ui3.2 對電容C利用安秒平衡特性進(jìn)行分析有I o tonIitoff 1根據(jù)理想變換器輸入輸出功率平衡原理得到穩(wěn)態(tài)電壓增益01IitonDGv-.一GiI otoff1D13.8 試分析在直流斬波電路中儲能元件（電容、電感）的作用。試以 Cuk電路為例分 析。直流斬波電路中的儲

18、能元件（電容、電感）有濾波與能量緩沖，能量傳遞三種基本功能。般而言，濾波元件常設(shè)置在變換器電路的輸入或輸出，而能量緩沖元件常設(shè)置在變換器電路的中間。以 Cuk電路為例3.9 試解釋 Cuk變換器中間電容電壓Uci等于電源電壓 Ui與負(fù)載電壓 Uo之和，即Uc1= Ui+Uo?由于Cuk變換器中有兩個緩沖電感元件Li、L2,因此，對電感Li、L2分別利用伏秒平衡特性進(jìn)行分析，不難得出(3-37)UitonUc1 Ui toff(UU cl )tonUo(Ts %)(3-38)令PWM占空比D= ton/ Ts,則由式（3-37）、（3-38）可求出Cuk變換器的電感電流連續(xù)時的穩(wěn)態(tài)電壓增益Gv為

19、(3-39)UotonDU7tofr聯(lián)立式（3-37）、式（3-39）,不難得出Uc1=Uo+Ui3.10 試分析Buck-Boost變換器和Boost-Buck變換器各有何特點(diǎn)。（1） Buck-Boost型電壓變換器和Boost-Buck型電壓變換器兩者的輸入輸出電壓極性均為反向極性；（2） Buck-Boost型電壓變換器電路結(jié)構(gòu)簡單，儲能元件較少，為一個電感，一個電容；Boost-Buck型電壓變換器電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，儲能元件較多，為兩個電感，兩個電容；（3） Buck-Boost型電壓變換器的輸入和二極管輸出電流均為斷續(xù)的脈動電流；（4） Boost-Buck型電壓變換器的輸入輸出均有

20、電感，因此變換器的輸入輸出電流一般情況下均為連續(xù)電流（輕載時電流可能斷續(xù)），濾波易實(shí)現(xiàn)。3.11 試以二象限D(zhuǎn)C-DC變換器為例具體分析電路中二極管的作用。二象限D(zhuǎn)C-DC變換器電路中二極管的作用為通過續(xù)流緩沖負(fù)載無功，避免負(fù)載電感中電流突變，感應(yīng)出過電壓。同時二極管VDi、VD2還實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開通，減少了開通損耗，具體工作過程如下：VTi、VT2采用互補(bǔ)調(diào)制驅(qū)動;VTi導(dǎo)通前，VDi導(dǎo)通續(xù)流，輸出電流io反向減?。籭o=0, VTi零電壓開通，直流側(cè)電源通過VTi向負(fù)載供電，輸出電壓 u0=U,輸出電流io正向增大，負(fù)載電感儲能增加；VTi關(guān)斷，由于負(fù)載電感電流不能突變，VD2導(dǎo)通續(xù)

21、流，輸出電壓 u0=0。采用互補(bǔ)調(diào)制驅(qū)動模式使 VT2有驅(qū)動信號，但因VD2導(dǎo)通對VT2形成了反壓鉗位,VT2不能導(dǎo)通，因此輸 出電流io正向減小，負(fù)載電感儲能儲能減少;io=0, VD2關(guān)斷，VT2零電壓開通，負(fù)載電動勢通過VT2向負(fù)載電阻和電感供電，輸出電壓山=0,輸出電流io反向增加，負(fù)載電感儲能增加；VT2關(guān)斷，由于電感電流不能突變，VD1導(dǎo)通續(xù)流，輸出電壓 Uo=Uio采用互補(bǔ)調(diào)制驅(qū)動模式使VTi有驅(qū)動信號，但因VDi導(dǎo)通對VTi形成了反壓鉗位,VTi不能導(dǎo)通，輸出電流io 反向減小，負(fù)載電感儲能儲能減少。3.12 兩象限和四象限 DC-DC變換器有何區(qū)別？驅(qū)動直流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行應(yīng)

22、采用何 種DC-DC變換器？二象限D(zhuǎn)C-DC變換器輸出電壓極性不變，輸出電流極性可變；四象限 DC-DC變換器 輸出電壓，輸出電流極性均可變；兩種變換器能實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。驅(qū)動直流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行需改變電樞電壓極性，應(yīng)采用輸出電壓可逆的四象限 DC-DC變換器。3.13 試說明隔離型 DC-DC變換器出現(xiàn)的意義是什么。 形成低壓供電負(fù)載與電網(wǎng)電壓之間的電氣隔離 通過變壓器變壓，縮小變換器輸出電壓等級與輸入電壓等級之間的差異，擴(kuò)大調(diào)節(jié)控制范圍 通過設(shè)置不同匝數(shù)的副邊耦合繞組形成多路輸出，提供不同數(shù)值，不同極性的輸出電壓3.14 單端正激式變換器和單端反激式變換器有何區(qū)別？變換器變壓器原邊副邊工

23、作時間：單端正激式變換器：變壓器原邊副邊同時在開關(guān)管VT導(dǎo)通時工作。單端反激式變換器：變壓器原邊在開關(guān)管VT導(dǎo)通時工作，變壓器副邊在開關(guān)管VT關(guān)斷時工作，兩者不同步。 變壓器原邊加有單方向的脈沖電壓，由于磁芯的磁滯效應(yīng)，當(dāng)VT關(guān)斷時，線圈電壓或電流回到零，而磁芯中磁通并不回到零，形成剩磁通。剩磁通的累加可能導(dǎo)致磁芯飽和，因此需要進(jìn)行磁復(fù)位。磁復(fù)位的方式：單端正激式變換器：變壓器儲存的磁能通過去磁繞組 N3和箝位二極管 VD 2構(gòu)成的復(fù)位電路饋送到輸入電源側(cè)。單端反激式變換器：變壓器儲存 的磁能通過副邊繞組傳輸給輸出負(fù)載。輸出電壓的決定因素：1單端正激式變換器：Uo - D Ui輸出電壓僅決定于

24、變換器輸入電壓、變壓器的匝n比和n功率管的占空比，與負(fù)載電阻無關(guān)。具有降壓功能。單端反激式變換器：變壓器磁一，一1 D ，一、一、， 通連續(xù)狀態(tài)和磁通臨界連續(xù)狀態(tài)下Uo Ui，輸出電壓僅決定于變換器輸入電壓、n 1 D變壓器的匝比和功率管的占空比，與負(fù)載電阻無關(guān)，具有升降壓功能。變壓器磁通連續(xù)狀態(tài)和磁通臨界連續(xù)狀態(tài)下 U o UitonjR，輸出電壓Uo與負(fù)載電阻Rl有關(guān)，Rl愈大則 輸出電壓愈高，反之負(fù)載電阻愈小，則輸出電壓愈低，因此在進(jìn)行開環(huán)實(shí)驗(yàn)時，不應(yīng)讓負(fù)載開路，必須接入一定的負(fù)載， 或者在電路中接入“死負(fù)載”。 此外輸出電壓 Uo隨輸入電 壓Ui的增大而增大；也隨導(dǎo)通時間ton的增大而

25、增大；還隨N1繞組的電感量L1的減小而增 大。3.15 說明題3.15圖隔離型Buck電路中由繞組 N3和二極管VD2構(gòu)成的支路有何作用。VD2 K廊Udston2u“ Ni、Ui(1+N3)T-uu，iD0UoN1N3題3.15圖隔離型Buck變換器在開關(guān)管 VT截止期間，副邊傳遞能量的整流二極管VD也截止，儲存于變壓器磁芯中的剩磁能量無釋放途徑，從而會造成剩磁通積累，導(dǎo)致的磁芯飽和。電路中設(shè)置由繞組 N3和二極管VD 2構(gòu)成的支路為磁芯復(fù)位支路。在開關(guān)管VT截止期間，N3兩端感應(yīng)出上正下負(fù)的電壓UN3,當(dāng)UN3大小超過Ui時，VD2導(dǎo)通，將變壓器儲存的剩磁能量送回輸入電源側(cè)，同時將Un3鉗

26、位在Ui上。N1和N2將承受下正上負(fù)的電壓，若有 N 3 =Ni,則Un1 = U，UN2=U，/n,開關(guān)管VT承受反壓為Uds=U，+Un1=2U，。鉗位二極管 VD2保證 變壓器原副邊繞組， 去磁繞組N3兩端均不產(chǎn)生過電壓。 并且將開關(guān)管 VT,副邊整流二極管 VD承受的反壓峰值限制在一定范圍內(nèi)，避免了器件損壞。3.16 試推導(dǎo)負(fù)載電流連續(xù)時隔離型Buck-Boost變換器的輸出直流電壓平均值。在負(fù)載電流連續(xù)的情況下VT導(dǎo)通期間磁通增量為VT關(guān)斷期間磁通增量為UiNitonUN1D Ts=-7 (Tston )N2Ui(1 D) Ts在穩(wěn)態(tài)條件下，變壓器一個周期內(nèi)應(yīng)無剩磁積累即+ =UNi

27、UDF1得輸出電壓表達(dá)式1 D Uo Ui n 1 D3.17 試分析負(fù)載開路時，隔離型Buck-Boost變換器會出現(xiàn)何種現(xiàn)象。若隔離型Buck-Boost變換器工作在磁通連續(xù)或臨界連續(xù)的模式下輸出電壓為1 DUo 1 ，Ui與負(fù)載無關(guān)，則無影響； n 1 D若隔離型Buck-Boost變換器工作在磁通斷續(xù)的模式下，輸出電壓為Uo Uiton /-R由,2LT此可見，輸出電壓 Uo與負(fù)載電阻RL有關(guān)，RL愈大則輸出電壓愈高，反之負(fù)載電阻愈小，則輸出電壓愈低，這是反激變換器的一個特點(diǎn)。 在進(jìn)行開環(huán)實(shí)驗(yàn)時， 不應(yīng)讓負(fù)載開路，必須接入一定的負(fù)載，或者在電路中接入“死負(fù)載”。此外輸出電壓 Uo隨輸入

28、電壓Ui的增大而增大；也隨導(dǎo)通時間的增大而增大；還隨N1繞組的電感量L1的減小而增大。VT截止時，VD導(dǎo)通，副邊繞組 N2上的電壓幅值近似為輸出電壓 Uo（忽略VD的正向壓降及引線壓降），這樣，繞組 N1上感應(yīng)的電勢 Un1應(yīng)為Uw U0,因此VT截止期間 N2漏一源極間承受的電壓為 Uds Ui Un1 Ui -N1Uoo由于Uds與輸出電壓Uo有關(guān)，UoN2還隨負(fù)載電阻的增大而升高。因此，負(fù)載開路時，容易造成管子損壞。3.18試說明變壓器隔離的推挽式變換器和變壓器隔離的全橋變換器的特點(diǎn)是什么。1.1 變壓器隔離的推挽式變換器是由開關(guān)管的控制信號占空比相同，在相位上相差180o的兩個正激變換

29、器的輸出并聯(lián)得到，相比雙正激變換器，推挽式變換器中將續(xù)流二極管去掉，濾波電感經(jīng)過變壓器副邊繞組和整流二極管續(xù)流，且兩個變壓器共用一個磁芯，每個正激變換器從另一個正激變換器的原邊繞組和IGBT得本體二極管進(jìn)行磁復(fù)位，從而也將原來的磁復(fù)位電路去掉，這使得推挽變換器電路簡單，且擁有較高的磁芯利用率變壓器隔離的全橋變換器，使用兩個開關(guān)管串聯(lián)起來作一個開關(guān)管用，降低了開關(guān)管電壓應(yīng)力；且全橋變換器中的四個開關(guān)管工作在交錯的半周，對角線相對的管子VT2和VT4或VT2和VT3同時導(dǎo)通，變壓器原邊磁通在一個半周沿磁滯回線上移，在另一個半周沿著磁滯回線反極性下移，從而提高了變壓器的利用率。3.19 試畫出變壓器

30、隔離的全橋變換器的電路拓?fù)洌⒎治銎渥儔浩髟?、開關(guān)管兩端 的電壓波形和流過變壓器原邊的電流波形。(1) 變壓器隔離的全橋變換器的電路拓?fù)淙鐖D所示UiVT1,JZVDi VT3JV VD 3VT2L 2K.VD2 VT4-IL Z，VDVD。VD5畀(2)流波形隔離型全橋變換器變壓器原方、 開關(guān)管兩端的電壓波形和流過變壓器原邊的電toti階段：能量傳輸階段；to時刻，給VT1、VT4加驅(qū)動信號，VTi、VT4飽和導(dǎo)通。VT2、 VT4兩端電壓Ucei、Uce4均為0。VT2、VT3均承受反壓Ui即1k2、%3均為U。由于VTi、VT4 導(dǎo)通，變壓器原邊繞組 Np兩端電壓UT極性為上正下負(fù)，大小

31、等于輸入電壓 Ui。其中流過電流ip, ip由負(fù)載電流折算值和磁化電流所組成并且在正方向上隨時間以額定速率逐漸增大。同時，副邊的整流二極管VD5導(dǎo)通，VD6關(guān)斷，電流上升速率由濾波電感L確定。tit2階段：續(xù)流階段；VTiVT4均關(guān)斷，VTi、VT4串聯(lián)承受反壓 Ui, VT2、VT3串聯(lián)承 受反壓Ui,則VTiVT 4兩端電壓均為 Ui/2。變壓器原邊繞組 NP流過電流ip=0.電感L中的電 流通過變壓器副邊繞組和二極管 VD5、VD。續(xù)流，兩個二極管 VD5、VD。幾乎同等的導(dǎo)通，也有相同的正向壓降，因而變壓器副邊繞組Ns兩端電壓為0,折算到變壓器原邊繞組Np兩端電壓Ut也為0。t2時刻，

32、給VT2、VT3加驅(qū)動信號，VT2、VT 3飽和導(dǎo)通，電路進(jìn)入下半 周期t2t3階段：能量傳輸階段；t2時刻，給VT2、VT3加驅(qū)動信號，VT2、VT3飽和導(dǎo)通。VT2、 VT3兩端電壓Uce2、Uce3均為0。VTl、VT4均承受反壓Ui即Ucel、Uce4均為Ui。由于VT2、VT3導(dǎo)通，變壓器原邊繞組 Np兩端電壓Ut極性為上負(fù)下正，大小等于輸入電壓 Ui。其中流過電流ip, ip由負(fù)載電流折算值和磁化電流所組成并且在反方向上隨時間以額定速率逐漸增大。同時，副邊的整流二極管 VD6導(dǎo)通，VD5關(guān)斷，電流上升速率由濾波電感L確定。t3t4續(xù)流階段；VTiVT4均關(guān)斷，VTl、VT4串聯(lián)承受

33、反壓 Ui, VT2、VT3串聯(lián)承受反壓 Ui,則VTiVT4兩端電壓均為 Ui/2 0變壓器原邊繞組 NP流過電流ip=0。電感L中的電流通 過變壓器副邊繞組和二極管VD5、VD6續(xù)流，兩個二極管 VD5、VD 6幾乎同等的導(dǎo)通，也有相同的正向壓降，因而變壓器副邊繞組 Ns兩端電壓為0,折算到變壓器原邊繞組 Np兩端電 壓Ut也為0。3.20 試以半橋變換器為例，說明開關(guān)管動態(tài)特性參數(shù)對電路工作有何不利影響，可以 采取何種措施消除或減小這些影響。圖3-28半橋變換器的電路拓?fù)銪的電位隨VT開關(guān)管動態(tài)特性參數(shù)對電路工作有何不利影響：由于兩個電容連接點(diǎn)VT2導(dǎo)通情況而浮動的，所以能自動地平衡每個

34、晶體管開關(guān)的伏秒值。若這兩個晶體管開關(guān)具有不同的開關(guān)動態(tài)特性參數(shù)，即在相同寬度的基極驅(qū)動脈沖作用下開關(guān)管VT 1較慢關(guān)斷，而開關(guān)管VT2則較快關(guān)斷時，則在VTi連接點(diǎn)處產(chǎn)生了不平衡的伏秒值。如果讓這種不平衡的波形驅(qū)動變壓器，將會發(fā)生偏磁現(xiàn)象，致使鐵芯飽和并產(chǎn)生過大的開關(guān)管集電極電流，從而降低了變換器的效率，使開關(guān)管失控，甚至燒毀。改善偏磁現(xiàn)象的措施：在變壓器原邊線圈中加入一個串聯(lián)耦合電容C3,則與不平衡的伏秒值成正比的直流偏壓將被此電容通過隔直作用濾掉，這樣在開關(guān)管導(dǎo)通期間， 就可以平衡電壓的伏秒值。減少開關(guān)管動態(tài)特性參數(shù)對電路工作的不利影響：在晶體管基極電路上加入嵌位二極管，使其工作在臨界飽

35、和狀態(tài)下，較少了存儲時間，使晶體管的關(guān)斷時間盡量趨于一致。3.21 Buck電路是如何實(shí)現(xiàn)電壓變換、電流變換的；Buck電路和Boost電路又有怎樣的聯(lián)系？圖3.1為基本的DC-DC電壓變換原理電路及輸入、輸出波形?；镜腄C-DC電壓變換原理電路圖見圖3.1 (a),從圖中可以看出：輸入電壓源 片通過開關(guān)管VT與負(fù)載凡相關(guān)聯(lián)， 當(dāng)開關(guān)管VT導(dǎo)通時，輸出電壓等于輸入電壓，即 Uo=Ui；而當(dāng)開關(guān)管VT關(guān)斷時，輸出電壓等于零，即Uo=0o基本電壓變化的輸出波形如圖3.1 (c)所示，顯然，若令輸出電壓的平均值為U。，則UoUio可見圖3.1 (a)所示的電壓變換器實(shí)現(xiàn)了降壓型DC-DC變換器(B

36、uck電壓變換器)的基本變換功能。圖3-1 (b)為基本的DC-DC電流變換原理電路，從圖中可以看出：輸入電流源 h通過 開關(guān)管VT與負(fù)載R相并聯(lián)，當(dāng)開關(guān)管VT關(guān)斷時，輸出電流等于輸入電流，即io=ii；而當(dāng)開關(guān)管VT導(dǎo)通時，輸出電流為 0,即io=0?；镜碾娏髯兓妮敵霾ㄐ稳鐖D3.1 (d)所示，顯然，若令輸出電流的平均值為I。，則Ioiio圖3.1(b)所示的變換電路實(shí)現(xiàn)了降流型DC-DC變換器(Buck電流變換器)的基本變換功能。(a)電壓變換原理電路(b)電流變換原理電路(c)電壓變換波形(d)電流變換波形圖3-1 DC-DC電壓、電流變換原理電路及輸入、輸出波形若考慮變換器的輸入、

37、輸出能量的不變性(忽略電路及元器件的損耗)，則Buck型電壓變換器在完成降壓變換的同時也完成了升流變換，同理Boost型電流變換器在完成降流變換的同時也完成了升壓變換。可見，Boost型電壓變換和Buck型電流變換以及 Boost型電流變換和Buck型電壓變換存在功能上的對偶性。3.22 如何在Buck和Boost電路的基礎(chǔ)上構(gòu)建升降壓斬波電路？并比較 Buck-Boost電 路和Boost-Buck電路之間存在怎樣的異同點(diǎn)。將Boost型、Buck型變換器電路相互串聯(lián)并進(jìn)行適當(dāng)化簡，即可構(gòu)建Boost-Buck型變換器。Boost-Buck型DC-DC電壓變換器構(gòu)建的方法： 輸入級采用Boo

38、st型電壓變換器，并將其輸出負(fù)載省略。輸出級則采用Buck型電壓變換器電路，并將其輸出電壓源省略。串聯(lián)Boost型電壓變換器電路的輸出與Buck型電壓變換器電路的輸入。 若假設(shè)兩電路串聯(lián)后的開關(guān)管VTi、VT2為同步斬波開關(guān)管，省略冗余元件。根據(jù)開關(guān)管VTi、VT2導(dǎo)通時，所構(gòu)成的兩個獨(dú)立的電流回路拓?fù)?，合?VTi、VT2為 VT12,得到一個等效電流。根據(jù)開關(guān)管VTi、VT2關(guān)斷時，所構(gòu)成的兩個獨(dú)立的電流回路拓?fù)?，合并VDi、VD2合并為VD 12,得到另一個等效電路。使上述兩個變換器等效電路的輸入輸出具有公共電位參考點(diǎn)得到boost-buck型DC-DC電壓變換器。兩類變換器的輸入輸出電

39、壓極性均為反向極性，相對于Boost-Buck型電壓變換器，Buck-Boost型電壓變換器電路結(jié)構(gòu)簡單，并且其中的儲能元件也比較小。但是 Buck-Boost 型電壓變換器中由于輸入輸出電流均有電感，因此變換器的輸入輸出電流一般情況下均為連續(xù)電流（輕載時電流可能斷續(xù)）。3.23 簡述如圖所示的升壓斬波電路的工作原理。i題3.23圖假設(shè)電路中的電感值 L值很大，電容 C值也很大。當(dāng) VT處于通態(tài)時，電源向電感 L 充電，充電電流基本恒定為 Ii,同時電容C上的電壓向負(fù)載 R供電，因C值很大，基本保持 輸出電壓為恒值 Uo。設(shè)VT處于通態(tài)的時間為ton,此階段電感L上積蓄的能量為 Ellton。

40、當(dāng) VT處于斷態(tài)時E和L共同向電容C充電并向負(fù)載 R提供能量。設(shè)VT處于斷態(tài)的時間為tof, 則在此期間電感 L釋放的能量為（Uo-E） Ivtoffo當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即：化簡得:Ellton(Uo E)小tontoff etoffTtoff式中的T/toff1,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。3.24 什么是直流斬波電路的電流連續(xù)狀態(tài)和電流斷續(xù)狀態(tài)？基本直流斬波電路包含降壓（Buck）斬波電路、升壓（Boost）斬波電路，升降壓（Buck-Boost）斬波電路和丘克（Cuk）斬波電路。對于Buck、Boost和Buck-Boo

41、st斬波電路，電流連續(xù)狀態(tài)對應(yīng)電感電流恒大于零，介于 Ii與I2之間變化；電流斷續(xù)狀態(tài)是指在開關(guān)器件關(guān)斷的toff期間內(nèi)，電感電流iL已降為零，且保持一段時間。對于 Cuk斬波電路，電流連續(xù)狀態(tài)是指在開關(guān)器件關(guān)斷的&期間內(nèi)，流過二極管 VD （不是電感）的電流總是大于零；電流斷續(xù)狀態(tài)是指開關(guān)器件關(guān)斷的toff期間內(nèi)，流過 VD電流降為零，且保持一段時間。3.25 試分別簡述升降壓斬波電路和Cuk斬波電路的基本原理，并比較其異同點(diǎn)。升降壓斬波電路的基本原理：當(dāng)可控開關(guān)VT處于通態(tài)時，電源E經(jīng)VT向電感L供電使其貯存能量。此后，使 VT關(guān)斷，電感L中貯存的能量向負(fù)載釋放。負(fù)載電壓極性為上負(fù) 下正，

42、與電源電壓極性相反。穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T內(nèi)電感L兩端電壓Ul對時間的積分為零，即TuL dt 00 L當(dāng)VT處于通態(tài)期間，u_ = E;而當(dāng)VT處于斷態(tài)期間，ul = - uoo于是:EtonU0t0ff所以輸出電壓為:Uoton etofftonT ton改變導(dǎo)通比 為輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0g1/2時為 降壓，當(dāng)1/251時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。Cuk斬波電路的基本原理：當(dāng) VT處于通態(tài)時，ELi VT回路和R L2C VT回路 分別流過電流。當(dāng) VT處于斷態(tài)時，ELi-C-VD回路和RL2 VD回路分別流過電流。 輸出電壓的極性與電源電壓極性

43、相反。假設(shè)電容C很大使電容電壓 Uc的脈動足夠小時。當(dāng)開關(guān)S合到B點(diǎn)時，B點(diǎn)電壓Ub=0,A點(diǎn)電壓Ua= - Uc；相反，當(dāng)S合到A點(diǎn)時，Ub= Uc, Ua=0。因此，B點(diǎn)電壓Ub的平均值為Ub tofLUc （Uc為電容電壓 Uc的平均值），又因電感 Li的電壓平均值為零，所以E Ub tfUc。另一方面，A點(diǎn)的電壓平均值為Ua ?Uc ,且L2的電壓平均值為 零，按圖3-4中輸出電壓Uo的極性，有Uo tjUc。于是可得出輸出電壓 Uo與電源電壓E 的關(guān)系：Uoon eoneU Tton1兩個電路實(shí)現(xiàn)的功能是一致的，均可方便的實(shí)現(xiàn)升降壓斬波。與升降壓斬波電路相比,cuk斬波電路有一個明顯

44、的優(yōu)點(diǎn)，其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很小, 有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。3.26 對于如圖所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，試分析 此時電路的工作情況，并繪制相應(yīng)的電流流通路徑圖，同時標(biāo)明電流流向。需使電動機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)時，由V3和VD 3構(gòu)成的降壓斬波電路工作，此時需要V2保持導(dǎo)通，與 V3和VD 3構(gòu)成的降壓斬波電路相配合。當(dāng)V3導(dǎo)通時，電源向 M供電，使其反轉(zhuǎn)電動，電流路徑如下圖:當(dāng)V3關(guān)斷時，負(fù)載通過 VD3續(xù)流，電流路徑如下圖:二、計算題3.27如圖所示為理想 Buck變換器，已知：Ud=100V,開關(guān)頻率為20kHz,占空比為 D =

45、0.6,電阻為R,電感為L,電容為C。試計算在電流連續(xù)狀態(tài)下的：(1)輸出電壓；(2)電感電流的最大值和最小值；(3)開關(guān)管和二極管的最大電流；(4)開關(guān)管和二極管承受的最大電壓。Ul iXVT_ uEO+wyxZ 二lTLUgioUdZVD題3.27圖在電流連續(xù)狀態(tài)下(1)輸出電壓UoDUi DUd0.6 100 60V(2)Ts1320 1035 10 5stonDTs 0.6 5 10 53 10 5s穩(wěn)態(tài)電流脈動Uo、Ui Uo.VT導(dǎo)通時 iL+ -ton ； VT關(guān)斷時iL-I Lmax I oiL+Uo 一 ，、工(Ts ton)；Uo Ui Uo, tonI Lmin = I o一 iL-2UoR 2LUo(Ts 2Lton)已知Uo=60V , Ui=Ud=100V代入上述表達(dá)式得I Lmax60 100 60- 3 10606 10 42LI Lmin606055、(5 103 10 )2L一 一 460 6 10(4)開關(guān)管和二極管承受的最大電壓均為變換器輸入電壓(3)由于續(xù)流連續(xù)，開關(guān)管和二極管的最大電流均為電感電流的最大值，為_4.60 6 10I Smax I Dmax I Lmax U Smax U Dmax Ui 100V3.