第5章直流直流开关型变换器习题答案.docx

1、第5章直流直流开关型变换器习题答案第 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 D ton ，Ts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

2、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

3、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 BOOS

4、T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

5、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：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， V0 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 V0 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：Vo 1 Ts2 (1 D)Vo 8 LC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

6、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 DC DC变换器中，为什么每个桥臂中的两个器

7、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 DC DC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-I 0 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

8、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，

9、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

10、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。输出电流平均值 I0 Uo REM 5A输入电源的电流平均值 Iin DI o 2A3）器件 V 上电流平均值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=40 s，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 ,

11、 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。uLuVDuV图 5 2解：3）电感上的电流平均值 I dL I1 17.8A3.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

12、Io 的 110，应改变什么参数，它的取 值是多少？解：1）输出电压平均值 U0 DE 100V ，输出电流平均值 I0 U 0 10A R2）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。112 iL I0 1.1I0 iL 0.2IU0Lgton0.2Io4L 5 10 4 H 500uH4.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=40 s，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

13、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。4图 5 4解：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。

14、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） vcontrol 0.5V?tri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 5 5图 5 6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 为正且平直连续，当器件 V1上施加开通控制信号时，负载电流的路径： E+V1负载 V4 E-当器件 V1 上施加关断控制信号时，负载电流的路径： E-VD1负载 VD4E+3）假设负载电流 Io 为负且平直连续，当器件 V1上施加开通控制信号时，负载电流的路径： E-VD3负载 VD2E+当器件 V1上施加关断控制信号时，负载电流的路径： E+V3负载 V2 E-4) vcontrol 0.5V?tri时， t1 vcontrol Ts118Ts，ton2t1 12Ts4TsVtri 4V1 器件驱动信号的占空比DV1t1 3 ton 4输出电压平均值 U0 (2D1)E100V输出电流平均值 I U 0 EM1005010A0