電力電子學(xué)第三章課后作業(yè)答案

1、3.1 直流直流電壓變換中開(kāi)關(guān)器件的占空比是什么？推證圖3.1(c)所示脈寬時(shí)間為、脈寬角度為、周期為、幅值為的方波脈沖電壓的直流平均值及各次諧波的幅值。解答：占空比是開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期的比值。圖3.1(c)中方波脈沖電壓可以表示為如下傅立葉表達(dá)式：其中常數(shù)項(xiàng)為直流平均值，即 ；各余弦項(xiàng)為各次諧波，其幅值為： 。3.2 脈沖寬度調(diào)制PWM和脈沖頻率調(diào)制PFM的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？解答：脈沖寬度調(diào)制方式PWM，保持不變（開(kāi)關(guān)頻率不變），改變調(diào)控輸出電壓。脈沖頻率調(diào)制方式PFM。保持不變，改變開(kāi)關(guān)頻率或周期調(diào)控輸出電壓。實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用PWM方式。因?yàn)椴捎枚lPWM開(kāi)關(guān)時(shí)，輸出電壓中諧波的頻率固

2、定，濾波器設(shè)計(jì)容易，開(kāi)關(guān)過(guò)程所產(chǎn)生電磁干擾容易控制。此外由控制系統(tǒng)獲得可變脈寬信號(hào)比獲得可變頻率信號(hào)容易實(shí)現(xiàn)。但是在諧振軟開(kāi)關(guān)變換器中為了保證諧振過(guò)程的完成，采用PFM控制較容易實(shí)現(xiàn)。3.3 Buck變換器中電感電流的脈動(dòng)和輸出電壓的脈動(dòng)與哪些因數(shù)有關(guān)，試從物理上給以解釋。解答：電感電流的脈動(dòng)量與電感量、開(kāi)關(guān)頻率、輸入電壓、輸出電壓有關(guān)，輸出電壓的脈動(dòng)量與電感量、電容量、開(kāi)關(guān)頻率、輸出電壓有關(guān)。電感量、電容量越大其濾波效果越好，而開(kāi)關(guān)頻率越高，濾波電感的交流阻抗就很大，它對(duì)直流電壓的阻抗基本為0，同時(shí)濾波電容的交流阻抗很小。3.4 Buck變換器斷流工況下的變壓比與哪些因數(shù)有關(guān)，試從物理上給以

3、解釋。解答：Buck變換器在電流斷續(xù)工況下其變壓比不僅與占空比有關(guān)，還與負(fù)載電流的大小、電感、開(kāi)關(guān)頻率以及電壓等有關(guān)。3.5 圖3.2(a)、3.5(a)電路穩(wěn)態(tài)時(shí)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，電感電流的增量，電感的磁通增量是否為零，為什么？電容的電流平均值為零，電容端電壓的增量是否為零，為什么？解答：電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感電流的增量，同時(shí)電感的磁通增量，因?yàn)槿绻粋€(gè)周期內(nèi)電感的磁通增量，那么電感上的磁通將無(wú)法復(fù)位，也即電感上的能量不斷累積，最終將達(dá)到飽和，甚至燒毀電感，所以穩(wěn)態(tài)工作時(shí)應(yīng)使一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感的磁通增量。電容的電流平均值為0，那么電容端電壓的增量也為0，因?yàn)榉€(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)周期內(nèi)電容

4、上的充電電荷等于放電電荷，即電容上電荷增量，而電容端電壓增量，故電容端電壓的增量也為0。3.6 Buck變換器中電流臨界連續(xù)是什么意思？當(dāng)負(fù)載電壓、電流一定時(shí)在什么條件下可以避免電感電流斷流?解答：Buck變換器中電感電流臨界連續(xù)是指處于電感電流連續(xù)和電感電流斷流兩種工況的臨界點(diǎn)的工作狀態(tài)。這時(shí)在開(kāi)關(guān)管阻斷期結(jié)束時(shí)，電感電流剛好降為零。當(dāng)負(fù)載電壓、電流一定時(shí)增大電感量和提高開(kāi)關(guān)頻率都可以避免電感電流斷流。3.7 開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)直流升壓變換的基本原理是什么？解答：為了獲得高于電源電壓的直流輸出電壓，一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的辦法是在變換器開(kāi)關(guān)管前端插入一個(gè)電感L，如右圖所示。在開(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，利用圖中電感線

5、圈在其電流減小時(shí)所產(chǎn)生的反電勢(shì)(在電感電流減小時(shí)，為正值)，將此電感反電勢(shì)與電源電壓串聯(lián)相加送至負(fù)載，則負(fù)載就可獲得高于電源電壓的直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流升壓變換。3.8 Boost變換器為什么不宜在占空比接近1的情況下工作？解答：因?yàn)樵贐oost變換器中，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源與負(fù)載脫離，其能量全部?jī)?chǔ)存在電感中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，能量才從電感中釋放到負(fù)載。如果占空比接近于1，那么開(kāi)關(guān)接近于全導(dǎo)通狀態(tài)，幾乎沒(méi)有關(guān)斷時(shí)間，那么電感在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的能量沒(méi)有時(shí)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接近1的情況下工作。同時(shí)，從Boost變換器在電感電流連續(xù)工況時(shí)的變壓比表達(dá)式

6、也可以看出，當(dāng)占空比接近1時(shí)，變壓比接近于無(wú)窮大，這顯然與實(shí)際不符，將造成電路無(wú)法正常工作。3.9 升壓降壓變換器（Cuk變換器）的工作原理及主要優(yōu)點(diǎn)是什么？解答： Cuk變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，期間，令開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通，這時(shí)電源經(jīng)電感L1和T短路，L1電流線性增加，電源將電能變?yōu)殡姼蠰1儲(chǔ)能，與此同時(shí)電容C1經(jīng)T對(duì)C2及負(fù)載放電，并使電感L2電流增大而儲(chǔ)能。在隨后的期間，開(kāi)關(guān)管T阻斷，電感L1電流經(jīng)電容C1及二極管D續(xù)流，此時(shí)，電感L2也經(jīng)D續(xù)流，L2的磁能轉(zhuǎn)化為電能對(duì)負(fù)載供電。Cuk變換器的優(yōu)點(diǎn)是僅用一個(gè)開(kāi)關(guān)管使電路同時(shí)具有升、降壓功能；而且該變換器輸入輸出電流脈動(dòng)小。3.10 如何理解Cuk

7、變換器中間電容電壓等于電源電壓與負(fù)載電壓之和，即？解答：電感電壓，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中電感、電流增量為零，磁鏈增量為零，電感兩端電壓的直流平均值為零。因此Cuk電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可直接得到直流平均電壓。3.11 直流直流四象限變換器的四象限指的是什么？直流電機(jī)四象限運(yùn)行中的四象限指的是什么？這兩種四象限有什么對(duì)應(yīng)關(guān)系？解答：直流直流四象限變換器的四象限指的是變換器的輸出電壓、輸出電流均可正可負(fù)的四種組合。直流電機(jī)四象限運(yùn)行中的四象限指的是電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩可正可負(fù)的四種組合。對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速有： 對(duì)于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te： 在勵(lì)磁電流不變、磁通不變時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩大小和方向由VAB、IA

8、B決定。通過(guò)改變VAB的大小及IAB的大小和方向，調(diào)控電機(jī)在正方向下旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩Te的大小和方向，既可使直流電機(jī)在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下變速運(yùn)行亦可在發(fā)電機(jī)制動(dòng)狀態(tài)下變速運(yùn)行。因此直流直流四象限變換器的四象限和直流電機(jī)運(yùn)行中的四象限之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖3.12(d)所示(應(yīng)該畫(huà)出電路)。3.12 多重、多相直流直流變換器中，多重（重?cái)?shù)），多相（相數(shù)）指的是什么意義？多重、多相變換器的優(yōu)點(diǎn)是什么？解答：假定變換器中每個(gè)開(kāi)關(guān)管通斷周期都是，多重（重?cái)?shù)）是指：在一個(gè)周期中變換器負(fù)載電流脈動(dòng)次（），即脈動(dòng)頻率為。多相（相數(shù)）是指：在一個(gè)周期中變換器電源側(cè)電流脈動(dòng)次，即脈動(dòng)頻率為。多重、多相變換

9、器的優(yōu)點(diǎn)是：其輸出電壓、輸入電流脈動(dòng)頻率比單個(gè)變換電路成倍地提高，因而可以顯著改善變換器輸入、輸出特性或者減少變換器對(duì)濾波器重量體積的要求，同時(shí)多重、多相復(fù)合變換器還能擴(kuò)大變換器的輸出容量。3.13 說(shuō)明單端正激、單端反激DC/DC變換器工作原理。解答：?jiǎn)味苏C/DC變換器從電路結(jié)構(gòu)、工作原理上可以看出它是帶隔離變壓器的Buck電路如圖3.14(b)所示(應(yīng)該畫(huà)出電路)，開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)經(jīng)變壓器將電源能量直送負(fù)載被稱為正激。但是匝比N2/N1不同時(shí)，輸出電壓平均值Vo可以低于也可高于電源電壓Vd。變壓器磁通只在單方向變化被稱為單端。圖3.15(b)所示(應(yīng)該畫(huà)出電路)為單端反激DC/DC變換器，T導(dǎo)通的期間，電源電壓Vd加至N1繞組，電流直線上升、電感L1儲(chǔ)能增加，副方繞組N2的感應(yīng)電勢(shì)，二極管D1截止，負(fù)載電流由電容C提供，C放電；在T阻斷