第5章 直流--直流变换电路.doc

第5章 直流直流变换电路1.Buck电路中，L、C对电感电流脉动大小和输出电容电压的脉动大小分别有何影响？图2.4采用功率MOSFET晶体管和二极管表示的BUCK变换器于是：确定，则：2.能完成以下功能的电路是DCDC变换电路：A.直流电幅值变换；B.直流电极性变换；C.直流电路阻抗变换；D.有源滤波。3.典型Buck电路如图。A.该变换器直流输出电压与占空比D之间存在线性关系；B.电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使的直流分量通过，抑制开关频率及其谐波分量通过。C.稳态时，在0DT时段内，电感电流对时间的变化率；DTT时段内，电感电流的时间变化率；D.不希望太大，否则将使流过电感和开关器件的电流峰值增大。可以通过选择合适的电感值来得到所希望的电流纹波。3.关于小纹波近似和CCM与DCM，以下叙述中正确的正：A.通常可以假设开关纹波幅值远小于直流分量，即。输出电压近似为其直流分量，从而可以忽略其小纹波成分。上述近似称谓小纹波近似，或称线性纹波近似；B.输出电压总是可以应用小纹波近似，但电感电流一般不适用小纹波近似；C.对于基本斩波电路，CCM是指电感电流连续；DCM是指电感电流不连续；D.Buck和Boost电路工作于CCM时的电压变换比与工作于DCM时的电压变换比不同。4.根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可分为三种控制方式：A.脉宽调制；B.频率调制；C.混合调制。5.基本斩波电路一般认为共有六个，它们分别是：A.Buck降压斩波电路；B.Boost升压斩波电路；C.Buck-Boost降压-升压斩波电路；D.Cuk、Sepic、Zeta升压-降压斩波电路。6.Boost电路如图所示。对于电感电流连续情况，回答以下问题：A.T导通时，由电感电压，推知电感电流对时间的变化率。电容电流，应用小纹波近似，有；电容电压变化率；B.D导通时，由电感电压，应用小纹波近似，有：推知电感电流对时间的变化率：电容电流；电容电压变化率；C.依据A、B的分析，画出、及波形图：D.电感电流直流成份I。应用安秒平衡法则：，推知；E.电感电流变化量由波形，有：F.输出电压纹波由波形，有G.求电压变换比M及其M-D曲线：从波形结合伏秒平衡：，即：7.Boost电路如图所示，对于电流断续的情况回答下列问题：A.关于导通模式界限，模式界限标准形式：CCM：DCM：式中，称临界值。B. T导通时，由电感电压，推知电感电流对时间的变化率。电容电流，应用小纹波近似，有；电容电压变化率；C.D导通时，由电感电压，应用小纹波近似，有：推知电感电流对时间的变化率。电容电流；电容电压变化率；D.T和D都不导通时，。E.依据B、C、D的分析，画出、及波形图：8.Buck-Boost电路如图所示，回答下列问题：A.晶体管T导通工作模式下（对应）。电感电压，电感电流变化量，即电感电流脉动量B.二极管导通工作模式下，（对应）电感电压，电感电流变化量C.依据A、B分析，画出、及波形图。D.求电压变换比。由A、B两模式中相等，可求得。E.求电容电压脉动量：9. 降压-升压式变换电路(Buck-Boost)降压-升压式变换电路(Buck-Boost)Buck-Boost电路T导通时Buck-Boost电路T截止时首先，绘制主要电量曲线：期间：对于网孔I：，由此画；从出发，容易看出：，由于为常数，所以是直线段，斜率为正。由网孔II，易得：，应用小纹波近似，有，据此画曲线。考虑到，有，由此绘制曲线。期间：由回路III：；画曲线，同时推知，画曲线。在Buck-Boost电路T截止时等效电路中，应用KCL有：，应用小纹波近似，有，可见，期间是与斜率相同的直线。设期间的平均值为，应用电容电流安秒平衡于曲线，有，推知。于是期间。接下来依据所得曲线求各主要电量之间关系：输入输出电压关系：在曲线上应用伏秒平衡，有：，推知，表明Buck-Boost电路在区间降压，区间升压，电路输入输出电压比；电压、电流波动：由曲线，有：，得到由曲线，有，故电感电流不连续情况：很明显，电感电流平均值时，电感电流临界连续。所以电感电流临界连续条件为：。当时电感电流连续，时电感电流不连续。10. 升压-降压式变换电路(Cuk)升压-降压式变换电路(Cuk)T导通时电路如图所示：Cuk电路T导通时对于网孔I：，推知对于网孔II：，即，推知T关断时电路如图所示：Cuk电路T关断时对于网孔III：即推知对于回路IV：即推知由曲线：；由曲线：解得：练习1.如图所示的Buck电路，设输入电压为200V，电感L为100，电容C为无穷大。输出接10的电路，电路的工作频率是50KH，MOSFET导通的占空比是0.5，求：（1）输出直流电压，输出直流电流；（2）流过MOSFET的峰值电流。（3）如要将MOSFET的峰值电流减小为输出直流电流的110%，就改变什么参数？它的值是多少？解：（1）依据，简单得，进而；（2）流过MOSFET的峰值电流其实就是流过L的电流最大值。只要求得，即可推知。依据，可知，也就是说：;（3）欲使，应改变电感L值。这时，代入，推知。讨论，能否通过改变占空比D实现上述目标？亦可！但本题中、和都将一同发生变化，与题意不附。考虑D变为时，输出，。其中，据题意，代入上式，有：代入数据可解出。进一步可求得，。验证：。练习2.Boost电路如图所示，D=0.5.求（1）输出直流电压，电流；（2）电感电流平均值；（3）MOSFT阻断时的电压。解：（1）依据，求得，（2）依据，求得（3）MOSFET阻断时电压为：练习3.设有两组蓄电池，A组电压为100V，B组电压为200V。用Buck电路和Boost电路组合设计一种电路，以完成既能由A组蓄电池向B组蓄电池充电，又能由B组蓄电池向A组蓄电池充电的功能。答：细节参考马书第2章第7节。2-4简述Buck-Boost电路和Cuk电路之间的异同点。答：Buck-boost电路是降压-升压电路，电源电流不连续，；是由Buck和Boost电路组合而成。输入输出之间相差180度。有电流连续和断续两种工作模式，输入、输出两端电流脉动比较大。Cuk电路是升压-降压电路，电源电流连续，；是由Boost和Buck组合而成。输入输出之间相差180度。也有电流连续和断续两种工作模式。但是与Buck、Boost和Buck-Boost三种转换器不同的是，对Cuk转换器不是指电感电流的连续，而是指流过二极管的电流的连续或断续。由于Buck-Boost转换器的电感L在电路中间，所以输入和输出电流的脉动都很大。针对Buck-Boost转换器的这个缺点，20世纪70年代中期，美国加州理工学院的Slobodan Cuk教授提出了单管Cuk转换器，这种转换器在输入端和输出端都有电感，从而显着地减小了输入和输出电流的波动。P138（2、3、5）2.在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L值极大，EM=50V，T=40s,ton=20s,计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为Uo=80(V)输出电流平均值为Io=3(A)3.在图5-1a所示的降压斩波电路中，E=100V，L=1mH，R=0.5，EM=20V，采用脉宽调制控制方式，T=20s，当ton=10s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。当ton=3s时，重新进行上述计算。解：由题目已知条件可得：m=0.2=0.002当ton=10s时，有=0.01ar=0.005由于=0.5m所以输出电流连续。此时输出平均电压为Uo=50(V)输出平均电流为Io=60(A)输出电流的最大和最小值瞬时值分别为Imax=80(A)Imin=79.75(A)当ton=3s时，采用同样的方法可以得出：=0.0015由于=0.149m所以输出电流仍然连续。此时输出电压、电流的平均值以及输出电流最大、最小瞬时值分别为：Uo=15(V)Io=60(A)Imax=10.13(A)Imin=9.873(A)5.在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=25，采用脉宽调制控制方式，当T=50s，ton=20s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：输出电压平均值为：Uo=83.3(V)输出电流平均值为：Io=3.33(A)P139（6）6.试分别简述升降压斩波电路和Cuk斩波电路的基本原理，并比较其异同点。答：升降压斩波电路的基本原理：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其贮存能量，此时电流为i1，方向如图5-4中所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中贮存的能量向负载释放，电流为i2，方向如图5-4所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是：所以输出电压为：改变导通比a，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。Cuk斩波电路的基本原理：当V处于通态时，EL1V回路和RL2CV回路分别流过电流。当V处于断态时，EL1CVD回路和RL2VD回路分别流过电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。该电路的等效电路如图5-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换。假设电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时。当开关S合到B点时，B点电压uB=0，A点电压uA=-uC；相反，当S合到A点时，uB=uC，uA