第5章 直流-直流开关型变换器 习题
答案
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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,
ton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,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。
1
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0,1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。
2
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:
,V(峰,峰值)o1)输出电压脉动率= V(平均值)o
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,V0出电压脉动率减小。
)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3
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。 ,V0
2,,VTD(1)1os4)BUCK电路在连续导通模式下,输出电压脉动率为: ,VLC8o
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。
3
8.关于DC,DC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V-I平面中的一个象限中。 oo
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V-I平面中的一个象限内。 00
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VD构成降压斩1波电路,向负载输出电能。V2和VD构成升压斩波电路,将负载上电能反馈回直流电源。这2
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DC,DC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。
4
第2部分:画图及
计算题
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1.在图5-1所示的降压斩波电路中,已知E=200V,R=10Ω,L值极大(表示电感电流连续平
直),E=30V,T=50μs,t=20μs,回答下列问题: Mson
1)计算输出电压平均值U,输出电流平均值I,输入电源的电流平均值I。 ooin
2)时间轴彼此对应地画出如下波形:输出电压u,电感上电压u和电流i,,器件V上oLL电流i和电压u,二极管VD上电流i和电压u。(电压的正方向如图中所示,电流正方向与vvdVD
对应电压相同)
3)计算器件V上电流平均值I和有效值I;二极管VD上电流平均值I和有效值I。 dVVdVDVD
uL
uVLi RoV
iin+ uVDEM Eo uVDM
-
图5,1
解:
t2onD,,1)占空比为 T5s
2UDEV,,,,20080输出电压平均值 05
UE,oM5IA,,输出电流平均值 0R
IDIA,,2输入电源的电流平均值 ino
3)
ton103.16IIA,,,IIA,,2器件V上电流平均值 ,有效值 odVinVTs
ttoffoff153.87IIA,,,3IIA,,二极管VD上电流平均值 ,有效值 odVDoVDTTson
2)
5
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=20Ω,采用脉宽调制控制方式,当T=40μs,t=25μs时,回答下列问题: son
1)计算输出电压平均值U,输出电流平均值I,输入电源的电流平均值I。 oo1
2)时间轴彼此对应地画出如下波形:电感上电压u和电流i,器件V上电流i和电压LLvu,二极管VD上电流i和电压u。(电压的正方向如图中所示,电流正方向与对应电压相vVDVD
同)
3)计算电感上的电流平均值I,器件V上电流平均值I和有效值I;二极管VD上电dLdVV流平均值I和有效值I。 dVDVD
uuLVD
uV
图5,2
6
解:
t255on1)占空比 D,,,T408s
E50输出电压平均值 UV,,,133.3051,D1,8
U133.30输出电流平均值 IA,,,6.670R20
I6.67o输入电源的电流平均值 IA,,,17.78151,D1,82)
3)电感上的电流平均值 IIA,,17.8dL1
2525IIA,,14.1器件V上电流平均值 ,有效值 IIA,,11.1V1dV14040
33IIA,,10.9二极管VD上电流平均值 ,有效值 IIA,,6.7VD1dVD188
7
3. 如图5-3所示降压斩波电路,设输入电压E,200V,电感L是100μH, 电容C无穷大,输出接10Ω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U,输出电流平均值I。 oo
2)画出器件V上电流i波形,并计算流过器件V的峰值电流。 v
3)为了将器件V的峰值电流减小为输出直流电流I的110,,应改变什么参数,它的取o
值是多少,
图5,3
解:
U01)输出电压平均值 ,输出电流平均值 UDEV,,100IA,,1000R2)电感L上电流是一条围绕平均值i的折线,如下图所示,器件V上电流i是上升部分。 ov
1 ,,,iIL02
EU,1110010 ,,,,,iiiIt,,,,,,100.51015AVpeakLpeakLon__0,63,,,222100105010L
3) 为了将器件V的峰值电流减小为输出直流电流I的110,,则有 o
EU,1,40,,,,LHuH510500 ,,,,,,iIIiI0.21.10.2,,tILLo00ono2L
8
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=10Ω,采用脉宽调
制控制方式,当T=40μs,回答下列问题: s
1)要求输出电压U在50V,150V之间调节时,计算占空比的变化范围。 o
2)占空比为0.5时,计算输出电压平均值U,输出电流平均值I。并画出如下波形:oo电感上电压u,开关V上电流i,及二极管VD上电流i的波形。 L12
3)在2)题的条件下,计算开关V上电流平均值I和有效值I;二极管VD上电流平均dVV值I和有效值I。 dVDVD
图5,4
解:
UUD0o1), ,,,D1EDEU,,o
13时,;时, UV,150UV,50D,D,oo35
因此,输出电压U在50V,150V之间调节时,占空比的变化范围是0.33,0.6。 o
2)占空比为0.5时,
DU1000输出电压平均值 , 输出电压平均值 UEV,,100IA,,,10001,DR10
9
I1,D2003), ,,,IA10IIIA,,,2011LLID401
20IIA,,14.14开关V上电流平均值 ,有效值 IIA,,10VLdV140
2020IIA,,14.14,有效值 二极管VD上电流平均值 IIA,10VDLdVDL,4040
5.图5,5为全桥DC,DC变换器,E,200V,E=50V,R,5Ω,L值极大,采用双极性PWMM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5,6所示。回答下列
问题:
1)在图5,6基础上,时间轴对应地画出器件V,V驱动信号的波形(高电平表示开通,14低电平表示关断),及变换器输出电压u的波形。 o
2)假设负载电流I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,o
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I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,o
负载电流的路径。
ˆ 4)vV,时,计算V器件驱动信号的占空比,输出电压平均值U,输出电流平0.51ocontroltri
均值I,输入电源的电流平均值I。 oin
图5,5
图5,6
10
解: 1)V,V驱动信号的波形(及变换器输出电压u的波形。 o14
2)假设负载电流I为正且平直连续, o
当器件V1上施加开通控制信号时,负载电流的路径:E+?V?负载?V?E- 14
11
当器件V1上施加关断控制信号时,负载电流的路径:E-?VD?负载?VD?E+ 14
3)假设负载电流I为负且平直连续, o
当器件V1上施加开通控制信号时,负载电流的路径:E-?VD?负载?VD?E+ 32
当器件V1上施加关断控制信号时,负载电流的路径:E+?V?负载?V?E- 32
12
vT113controlsˆ4)时,tT,,, vV,0.5ttTT,,,21scontroltrionss1ˆ4824Vtri
t31V器件驱动信号的占空比 D,,1V1t4on输出电压平均值 UDEV,,,(21)1000
UE,10050,0M输出电流平均值 IA,,,1005R
输入电源的电流平均值 IDIA,,,(21)5in0
13