第5章 直流-直流开关型变换器 习题答案.doc

第5章 直流-直流开关型变换器 习题第1部分：简答题1.开关器件的导通占空比是如何定义的？直流直流开关型变换器有哪几种控制方式，各有何特点？其中哪种控制方式最常用，为什么？答：导通占空比被定义为开关期间的导通时间占工作周期的比值，即 ，直流直流开关型变换器有三种控制方式：1）脉冲宽度调制PWM，特点为：周期不变，通过改变导通时间来调节占空比。2）脉冲频率调制PFM，特点为：导通时间不变，通过改变周期来调节占空比。3）混合型调制，特点为：导通时间和周期均可改变，来调节占空比。其中PWM最常用，因为载波（开关）频率恒定，滤波器设计较容易，且有利于限制器件的开关损耗。2.画出带LC滤波的BUCK电路结构图。并回答下列问题：实用的BUCK电路中为什么要采用低通滤波器？为什么要接入续流二极管？设计滤波器时，滤波器的转折频率应如何选取，为什么？答：带LC滤波的BUCK电路结构图如下：1）实用Buck电路采用低通滤波器可以滤除高次谐波，使输出电压更接近直流。2）续流二极管的作用是：当开关VT断开时，构成续流回路，释放电感储能。3）滤波器的转折频率fc应远小于开关频率fs，以滤除输出电压中的高次谐波。3.画出BOOST电路结构图，并简述BOOST电路中二极管和电容的作用。答：BOOST电路结构图如下：二极管的作用：规定电流方向，隔离输出电压。电容的作用：在开关断开期间，保持负载电压。4.简述稳态电路中电感和电容上电压、电流的特点，并分析其物理意义。答：1）稳态时，电感上的电压在1个周期上平均值为零，即伏秒平衡。物理意义是: 稳态时电感中磁通在1个周期内净变化量为零。2)稳态时，电容上的电流在1个周期上平均值为零，即安秒平衡。物理意义是：稳态时电容上电荷在1个周期内净变化量为零。5.为什么BUCK电路可以看作是直流降压变压器，而BOOST电路可以看作是直流升压变压器？这种变换器与真正的变压器相比有何异同之处？答：1）因为在连续导通模式下，Buck和BOOST电路都可以通过调节占空比D,使变压比Uo/Ud在01和大于1的范围内连续调节，因此从变压角度看，可将它们视为直流降压变压器和升压变压器。2）和真正变压器相比，相同之处在于：Uo/Ud，Io/Id的表达式相同。不同之处在于：对于Buck电路，尽管平均电流Id与Io之间也符合变压器的变比关系，但id瞬时值不是直流，含有与开关频率有关的脉动量。BOOST电路不能空载工作。6.关于输出电压的脉动，回答下列问题：1）输出电压的脉动率是如何定义的？2）其它条件不变时，电容值的变化对输出电压的脉动率的大小有何影响，并定性地分析产生这种影响的原因？3）其它条件不变时，器件开关频率的变化对输出电压的脉动率的大小有何影响，并定性地分析产生这种影响的原因？4）以BUCK电路为例，说明如何进行合理的设计，以保证较小的输出电压的脉动率。答：1）输出电压脉动率=2）电容值越大，输出电压脉动率越小。理由是：电容越大，滤波效果越好，越小，使输出电压脉动率减小。3）器件开关频率越高，输出电压脉动率越小。理由是：开关频率越高，输出电压中包含的高次谐波的频率越高，经电容滤波后衰减越大，则越小，使输出电压脉动率减小。4）BUCK电路在连续导通模式下，输出电压脉动率为： 可见，合理选择LC，即使可LC足够大，则可保证足够小的输出电压的脉动率。7.什么是寄生元件效应，该效应对BOOST电路的变压比有何影响？从控制角度，应如何减小寄生效应的不良影响。答：1）电感，电容，开关，二极管等元件上的损耗产生了寄生元件效应，当D接近1时，实际的变压比有所下降。2）应用时，一般要限制占空比D使其不要过大，以使寄生效应不明显。8.关于DCDC可逆变换器（斩波电路），回答下列问题：1）简述为什么BUCK电路和BOOST电路只能工作于输出特性Vo-Io平面中的一个象限中。2）什么是可逆斩波电路？简述可逆斩波电路的种类，并结合其电路结构的特点说明其为什么能实现可逆运行。3）在桥式DCDC变换器中，为什么每个桥臂中的两个器件通常工作在互补开关方式下？每个桥臂中的两个器件在其开关过程中为什么要设置死区时间？4）全桥DCDC变换器通常采用哪两种控制方式，它们的控制效果有何差别？答：1）BUCK电路和BOOST电路输出电流是单方向的，电压也不能反向，故只能工作于输出特性V0-I0平面中的一个象限内。2）电能可以双向流动的斩波电路叫可逆斩波电路。可逆斩波电路分为半桥可逆斩波电路，全桥可逆斩波电路。下面以半桥可逆斩波电路（如下图所示）为例，说明其可逆运行的原理。半桥可逆斩波电路可看作是降压斩波电路和升压斩波电路的组合。其中V1和VD1构成降压斩波电路，向负载输出电能。V2和VD2构成升压斩波电路，将负载上电能反馈回直流电源。这样就实现了可逆运行。3）每个桥臂中的两个器件通常工作在互补开关方式下，是为了使同一桥臂的上下两个开关不会同时断开，这样可以保证负载电流是连续的。在理想情况下，两个开关不会同时断开。而实际应用中，在开关过程中，为避免同一桥臂的上下两个开关，在开关状态切换的瞬间造成桥臂直通和直流电源瞬间短路，需要设置死区时间，即在切换瞬间2个器件均处于关断状态。4）全桥DCDC变换器通常采用双极性PWM控制和单极性PWM控制两种控制方式。单极性PWM输出电压的频率必双极性PWM提高了1倍。(在开关频率fs相同时)单极性PWM输出电压的脉动幅度，由双极性降低了一半。总之，单极性控制下输出电压的频率高，脉动小，有利于滤波器的设计。第2部分：画图及计算题1.在图5-1所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L值极大（表示电感电流连续平直），EM=30V，Ts=50s,ton=20s,回答下列问题： 1）计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，输入电源的电流平均值Iin。 2）时间轴彼此对应地画出如下波形：输出电压uo，电感上电压uL和电流iL，器件V上电流iv和电压uv，二极管VD上电流id和电压uVD。（电压的正方向如图中所示,电流正方向与对应电压相同） 3）计算器件V上电流平均值IdV和有效值IV；二极管VD上电流平均值IdVD和有效值IVD。 图51解：1）占空比为 输出电压平均值 输出电流平均值 输入电源的电流平均值 3）器件V上电流平均值 ，有效值 二极管VD上电流平均值 ，有效值 2）2.在图5-2所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当Ts=40s，ton=25s时，回答下列问题： 1）计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，输入电源的电流平均值I1。 2）时间轴彼此对应地画出如下波形：电感上电压uL和电流iL，器件V上电流iv和电压uv，二极管VD上电流iVD和电压uVD。（电压的正方向如图中所示,电流正方向与对应电压相同） 3）计算电感上的电流平均值IdL，器件V上电流平均值IdV和有效值IV；二极管VD上电流平均值IdVD和有效值IVD。图52解：1）占空比 输出电压平均值 输出电流平均值 输入电源的电流平均值 2）3）电感上的电流平均值 器件V上电流平均值 ，有效值 二极管VD上电流平均值 ，有效值 3. 如图5-3所示降压斩波电路，设输入电压E200V，电感L是100H, 电容C无穷大，输出接10的电阻，电路的工作频率是50KHz，全控器件导通占空比为0.5，回答下列问题： 1）计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。 2）画出器件V上电流iv波形，并计算流过器件V的峰值电流。 3）为了将器件V的峰值电流减小为输出直流电流Io的110，应改变什么参数，它的取值是多少？ 图53解：1）输出电压平均值 ，输出电流平均值 2）电感L上电流是一条围绕平均值io的折线，如下图所示，器件V上电流iv是上升部分。3) 为了将器件V的峰值电流减小为输出直流电流Io的110，则有 4. 在图5-4所示的升降压斩波电路中，已知E=100V，L值和C值极大，R=10，采用脉宽调制控制方式，当Ts=40s，回答下列问题： 1）要求输出电压Uo在50V150V之间调节时，计算占空比的变化范围。 2）占空比为0.5时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。并画出如下波形：电感上电压uL，开关V上电流i1，及二极管VD上电流i2的波形。 3）在2）题的条件下，计算开关V上电流平均值IdV和有效值IV；二极管VD上电流平均值IdVD和有效值IVD。 图54解：1），时，；时，因此，输出电压Uo在50V150V之间调节时，占空比的变化范围是0.330.6。2）占空比为0.5时，输出电压平均值 , 输出电压平均值 3）， 开关V上电流平均值 ，有效值 二极管VD上电流平均值 ，有效值 5.图55为全桥DCDC变换器，E200V，EM=50V，R5，L值极大，采用双极性PWM控制，器件的开关控制信号通过给定信号与三角波相比较而生成，如图56所示。回答下列问题： 1）在图56基础上，时间轴对应地画出器件V1V4驱动信号的波形（高电平表示开通，低电平表示关断），及变换器输出电压uo的波形。 2）假设负载电流Io为正且平直连续，分别写出当器件V1上施加开通和关断控制信号时，负载电流的路径。（要注意器件上施加开通控制信号后，它是否能够导通，取决于负载电流的方向） 3）假设负载电流Io为负且平直连续，分别写出当器件V1上施加开通和关断控制信号时，负载电流的路径。 4）时，计算V1器件驱动信号的占空比，输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，输入电源的电流平均值Iin。图55图56解： 1）V1V4驱动信号的波形（及变换器输出电压uo的波形。2）假设负载电流Io为