電力電子技術(shù)第二版張興課后習(xí)題答案

1、、簡(jiǎn)答題2.1 晶閘管串入如圖所示的電路，試分析開(kāi)關(guān)閉合和關(guān)斷時(shí)電壓表的讀數(shù)。題2.1圖在晶閘管有觸發(fā)脈沖的情況下，S開(kāi)關(guān)閉合，電壓表讀數(shù)接近輸入直流電壓；當(dāng)S開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，由于電壓表內(nèi)阻很大，即使晶閘管有出發(fā)脈沖， 但是流過(guò)晶閘管電流低于擎住電流， 晶閘管關(guān)斷，電壓表讀數(shù)近似為0 （管子漏電流形成的電阻與電壓表內(nèi)阻的分壓值）。2.2 試說(shuō)明電力電子器件和信息系統(tǒng)中的電子器件相比，有何不同。電力電子系統(tǒng)中的電子器件具有較大的耗散功率；通常工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)； 需要專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制；需要緩沖和保護(hù)電路。2.3 試比較電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)現(xiàn)器件通斷的原理。電流驅(qū)動(dòng)型器件通過(guò)從控制極注入和抽出

2、電流來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的通斷；電壓驅(qū)動(dòng)型器件通過(guò)在控制極上施加正向控制電壓實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通，通過(guò)撤除控制電壓或施加反向控制電壓使器件關(guān)斷。2.4 普通二極管從零偏置轉(zhuǎn)為正向偏置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電壓過(guò)沖，請(qǐng)解釋原因。導(dǎo)致電壓過(guò)沖的原因有兩個(gè)：阻性機(jī)制和感性機(jī)制。 阻性機(jī)制是指少數(shù)載流子注入的電導(dǎo)調(diào)制作用。電導(dǎo)調(diào)制使得有效電阻隨正向電流的上升而下降，管壓降隨之降低，因此正向電壓在到達(dá)峰值電壓 Ufp后轉(zhuǎn)為下降，最后穩(wěn)定在Uf。感性機(jī)制是指電流隨時(shí)間上升在器件內(nèi)部電感上產(chǎn)生壓降，di/dt越大，峰彳1電壓 Ufp越高。2.5 試說(shuō)明功率二極管為什么在正向電流較大時(shí)導(dǎo)通壓降仍然很低，且在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通時(shí) 其管壓降隨電流的大小

3、變化很小。若流過(guò)PN結(jié)的電流較小，二極管的電阻主要是低摻雜N-區(qū)的歐姆電阻，阻值較高且為常數(shù)，因而其管壓降隨正向電流的上升而增加；當(dāng)流過(guò) PN結(jié)的電流較大時(shí)，注入并積 累在低摻雜 N-區(qū)的少子空穴濃度將增大，為了維持半導(dǎo)體電中性條件，其多子濃度也相應(yīng) 大幅度增加，導(dǎo)致其電阻率明顯下降，即電導(dǎo)率大大增加，該現(xiàn)象稱(chēng)為電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。2.6 比較肖特基二極管和普通二極管的反向恢復(fù)時(shí)間和通流能力。從減小反向過(guò)沖電 壓的角度出發(fā)，應(yīng)選擇恢復(fù)特性軟的二極管還是恢復(fù)特性硬的二極管？肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間比普通二極管短，通流能力比普通二極管小。 從減少反向過(guò)沖電壓的角度出發(fā)，應(yīng)選擇恢復(fù)特性軟的二極管。2.7

4、描述晶閘管正常導(dǎo)通的條件。承受正向電壓且有門(mén)極觸發(fā)電流。2.8 維持晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？晶閘管流過(guò)的電流大于維持電流，通過(guò)外部電路使晶閘管流過(guò)的電流低于維持電流。2.9 試分析可能出現(xiàn)的晶閘管的非正常導(dǎo)通方式有哪幾種。Ig=0時(shí)陽(yáng)極電壓達(dá)到正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo；陽(yáng)極電壓上升率 du/dt過(guò)高；結(jié)溫過(guò)高。2.10 試解釋為什么Power MOSFET 的開(kāi)關(guān)頻率高于IGBT 、 GTO 。Power MOSFET 為單極性器件，沒(méi)有少數(shù)載流子存貯效應(yīng)，反向恢復(fù)時(shí)間很短。2.11 從最大容量、開(kāi)關(guān)頻率和驅(qū)動(dòng)電路三方面比較SCR、 Power MOSFET 和 IG

5、BT 的特性。最大容量遞增順序?yàn)?Power MOSFET、IGBT、SCR開(kāi)關(guān)頻率遞增順序?yàn)?SCR IGBT、Power MOSFET; SCR為電流型驅(qū)動(dòng)；而 Power MOSFET和IGBT為電壓型驅(qū)動(dòng)。2.12 解釋電力電子裝置產(chǎn)生過(guò)電壓的原因。電力電子裝置可能的過(guò)電壓原因分為外因和內(nèi)因。外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因，如由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起過(guò)電壓。而內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程。1）換相過(guò)電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過(guò)，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會(huì)因線路電感

6、在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓；2）關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。2.13 在電力電子裝置中常用的過(guò)電流保護(hù)有哪些？快速熔斷器、快速斷路器和過(guò)電流繼電器都是專(zhuān)用的過(guò)電流保護(hù)裝置，還有通過(guò)驅(qū)動(dòng)實(shí)施保護(hù)的電子電路過(guò)流保護(hù)。2.14 試分析電力電子器件串并聯(lián)使用時(shí)可能出現(xiàn)什么問(wèn)題及解決方法。采用多個(gè)功率管串聯(lián)時(shí)，應(yīng)考慮斷態(tài)時(shí)的均壓?jiǎn)栴}。應(yīng)在功率管兩端并聯(lián)電阻均衡靜態(tài)壓降，并聯(lián)RC 電路均衡動(dòng)態(tài)壓降。采用多個(gè)功率管并聯(lián)時(shí)，應(yīng)考慮功率管間的均流問(wèn)題。在進(jìn)行并聯(lián)使用時(shí)，應(yīng)盡選擇同一型號(hào)且同一生產(chǎn)批次的產(chǎn)品，使其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性均比較接近。其中功率MOSFET 溝

7、道電阻具備正溫度系數(shù)，易于并聯(lián)。2.15 電力電子器件為什么加裝散熱器？與信息系統(tǒng)中的電子器件主要承擔(dān)信號(hào)傳輸任務(wù)不同，電力電子器件處理的功率較大，具有較高的導(dǎo)通電流和阻斷電壓。由于自身的導(dǎo)通電阻和阻斷時(shí)的漏電流，電力電子器件要產(chǎn)生較大的耗散功率，往往是電路中主要的發(fā)熱源。為便于散熱，電力電子器件往往具有較大的體積，在使用時(shí)一般都要安裝散熱器，以限制因損耗造成的溫升。二、計(jì)算題2.16 在題2.16圖中，電源電壓有效值為 20V,問(wèn)晶閘管承受的正反向電壓最高是多少? 考慮安全裕量為2,其額定電壓應(yīng)如何選取？編輯版word正反向電壓最高是 2042V ,考慮安全裕量，額定電壓選取 4072V2.

8、17 如圖所示，U為正弦交流電u的有效值，VD為二極管，忽略 VD的正向壓降及反向電流的情況下，說(shuō)明電路工作原理，畫(huà)出通過(guò) 直流電流表A的讀數(shù)。Ri的電流波形，并求出交流電壓表V和當(dāng)u0時(shí)，VD正向?qū)?iiR2被短路，則流過(guò)Ri電流ii和R2上電流i2分別為:屋 2U/R1)sin ti200,冗0,冗當(dāng)u0時(shí)，VD截止，Ri和R2構(gòu)成串聯(lián)電路，電流為:ii =i2且 sin tRiR2t (區(qū)2冗)Ri上電流波形如圖所示,I 2d2U(Ri R2)冗因?yàn)橹绷麟娏鞅頊y(cè)的是電流的平均值，所以電流表A的指示為i2平均值I2d,i 2K 2Usin td( t)2L 電R2設(shè)ii的有效值為Ii,則

9、:i工同-sin2冗 0 Rid( t)2K 72u sin7t Ri R2t d( t)2R22( Ri R2)22(Ri R2)2 2R2u2Ri(RiR2)設(shè)電壓表V指示有效值為Uri,則:Uri IiR,2(Ri R2)2 2R2(Ri R2)編輯版word一、簡(jiǎn)答題3.1 試簡(jiǎn)述4種基本DC-DC變換器電路構(gòu)建的基本思路與方法。1) Buck型DC-DC電壓變換器構(gòu)建的基本思路： 構(gòu)建Buck型DC-DC電壓變換器的基本原理電路，輸入電壓源 Ui通過(guò)開(kāi)關(guān)管VT 與負(fù)載Rl相串聯(lián)。開(kāi)關(guān)管 VT導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓等于輸入電壓，即 Uo=Ui；開(kāi)關(guān)管VT斷開(kāi) 時(shí)，輸出電壓等于零，即 Uo=0

10、。輸出電壓的平均值為 Uo = (Ui ton + 0 - toff)/T= D Ui,由于D 1, UoUi該電路起到了降壓變換的基本功能。電路結(jié)構(gòu)和工作模型見(jiàn)下圖。 Buck型電壓變換電路的輸出電壓呈方波脈動(dòng)，為抑制輸出電壓脈動(dòng)需要在基本原理電路的輸出端兩側(cè)并入濾波電容C。電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。十Uo人VTI +O_UC=Rl 由于UoWUi,開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，電壓源將對(duì)濾波電容 C充電，充電電流很大，相當(dāng)于輸入輸出被短路，以至于開(kāi)關(guān)管VT所受的電流應(yīng)力大大增加而損壞。為了限制開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)的電流應(yīng)力，可將緩沖電感L串入開(kāi)關(guān)管 VT的支路中。電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。VTrvvvxC -TRl十Uo 開(kāi)

11、關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)緩沖電感 L中電流的突變?yōu)?,將感應(yīng)出過(guò)電壓，使開(kāi)關(guān)管 VT 的電壓應(yīng)力大大增加， 為此需加入續(xù)流二極管 VD緩沖電感釋放能量提供續(xù)流回路。 電路結(jié) 構(gòu)見(jiàn)下圖。LVTu uvd c 二二 RL r uo2) boost型DC-DC電壓變換器構(gòu)建的基本思路 構(gòu)建boost型DC-DC電壓變換器的基本原理電路，輸入電流源Ii通過(guò)開(kāi)關(guān)管VT與負(fù)載Rl相并聯(lián)。開(kāi)關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)，輸出電流等于輸入電流， 即io=Ii；開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)， 輸出電流等于零，即io=0。輸出電流的平均值為Io=(0 ton+Ii . toff)/T=(1- D) Ii,由于1-DW 1, IoIio該電路起到了降

12、流變換的基本功能。電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。 boost型電流變換電路的輸出電流呈方波脈動(dòng)，為抑制輸出電流脈動(dòng)，需要在基本原理電路的輸出支路中串入濾波電感L。電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。由于Io0的時(shí)間段對(duì)電感 L利用伏秒平衡特性有：（Ui Uo） ton Uo toff oUotonGV Uiton toff1DD1與導(dǎo)通占空比D已不是線性關(guān)系。開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)間段（ton時(shí)間段）的電流增量 AiL+與二極管VD續(xù)流時(shí)間段（toffl 時(shí)間段）的電流增量 AiL-相等且等于電感電流最大值 ILmax。Ui UoUoIl+1DTsIl-LDTsI Lmax穩(wěn)態(tài)條件下，由于電容 C中的平均電流為零，因此，電感電流斷續(xù)

13、時(shí)的電感平均電流Il等于負(fù)載平均電流Io ,即 I L= Io。Il H tonTs 2，,1toff I Lmax(D D1)ILmax21Io (D2Ui UoD1)DTsLUoR由上述三式可得Gv電感電流斷續(xù)的情況下fs、以及輸出電流Uo有關(guān)。4 IoD2 Uo/2LfsGv不僅與占空比 D有關(guān)，還與電感 L、負(fù)載電流I。、開(kāi)關(guān)頻率3.5 Boost變換器為什么不宜在占空比D接近1的情況下工作?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D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

14、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 D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M Vo/Vs 1/（1 D）也可以看出,當(dāng)占空比D接近1時(shí)，變壓比M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。3.6 解釋降壓斬波電路和升壓斬波電路的電容、電感、二極管各起什么作用？降壓型斬波電路中，電感L和電容C的主要作用是濾波，同時(shí)電感L的儲(chǔ)能將保持負(fù)載電流的連續(xù)，電容 C可穩(wěn)定輸出電壓 U。二極管為主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的負(fù)載電流續(xù)流二極升壓型斬波電路中，電感 L為開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的儲(chǔ)能元件，電容C為開(kāi)

15、關(guān)管關(guān)斷時(shí)的儲(chǔ)能元件。二極管為兩種模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中的隔離開(kāi)關(guān)元件，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)二極管關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管 關(guān)斷時(shí)二極管開(kāi)通。3.7 簡(jiǎn)述伏秒平衡和安秒平衡原則，并分別用兩種方法分析 Cuk變換器的輸出/輸入關(guān)系。(1) 電感電壓的伏秒平衡特性穩(wěn)態(tài)條件下，理想開(kāi)關(guān)變換器中的電感電壓必然周期性重復(fù)，由于每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中電感的儲(chǔ)能為零，并且電感電流保持恒定，因此，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中電感電壓Ul的積分恒為零,即：TstonTsuLdtuLdtuLdt 000ton電容電流的安秒平衡特性穩(wěn)態(tài)條件下，理想開(kāi)關(guān)變換器中的電容電流必然周期性重復(fù)，而每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中電的儲(chǔ)能為零，并且電容電壓保持恒定，因此，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中電容電流

16、ic的積分恒為零，即TstonTsicdticdticdt 0070 -3(2) Cuk變換器電感電流連續(xù)時(shí)： 對(duì)電感Li,L2分別利用伏秒平衡特性進(jìn)行分析有UitonUci Ui toffUo Uci tonUo(Ts a)得到穩(wěn)態(tài)電壓增益Uo tonUiTston 對(duì)電容c利用安秒平衡特性進(jìn)行分析有I o tonIi (Tston )根據(jù)理想變換器輸入輸出功率平衡原理得到穩(wěn)態(tài)電壓增益1 Ii ton DGv_GIoTston 1D當(dāng)1/2vDv1時(shí)，即cuk變換器的穩(wěn)態(tài)電壓增益 Gv1,則Cuk變換器具有升壓 特性；而當(dāng) 0V D 1/2時(shí)，即cuk變換器的穩(wěn)態(tài)電壓增益 Gv 1,則Cuk

17、變換器具有 降壓特性。因此，Cuk變換器是升、降壓變換器，并且其輸入、輸出電壓具有相反的極性（3） Cuk變換器電感電流斷續(xù)時(shí)3.1 對(duì)電感L1、L2分別利用伏秒平衡特性進(jìn)行分析有UitonUc1 Ui toff1（Uo UQtonU otoff1其中Cuk變換器中的二極管續(xù)流時(shí)間為toff1得到穩(wěn)態(tài)電壓增益GvU2Ui3.2 對(duì)電容C利用安秒平衡特性進(jìn)行分析有I o tonIitoff 1根據(jù)理想變換器輸入輸出功率平衡原理得到穩(wěn)態(tài)電壓增益01IitonDGv-.一GiI otoff1D13.8 試分析在直流斬波電路中儲(chǔ)能元件（電容、電感）的作用。試以 Cuk電路為例分 析。直流斬波電路中的儲(chǔ)

18、能元件（電容、電感）有濾波與能量緩沖，能量傳遞三種基本功能。般而言，濾波元件常設(shè)置在變換器電路的輸入或輸出，而能量緩沖元件常設(shè)置在變換器電路的中間。以 Cuk電路為例3.9 試解釋 Cuk變換器中間電容電壓Uci等于電源電壓 Ui與負(fù)載電壓 Uo之和，即Uc1= Ui+Uo?由于Cuk變換器中有兩個(gè)緩沖電感元件Li、L2,因此，對(duì)電感Li、L2分別利用伏秒平衡特性進(jìn)行分析，不難得出(3-37)UitonUc1 Ui toff(UU cl )tonUo(Ts %)(3-38)令PWM占空比D= ton/ Ts,則由式（3-37）、（3-38）可求出Cuk變換器的電感電流連續(xù)時(shí)的穩(wěn)態(tài)電壓增益Gv為

19、(3-39)UotonDU7tofr聯(lián)立式（3-37）、式（3-39）,不難得出Uc1=Uo+Ui3.10 試分析Buck-Boost變換器和Boost-Buck變換器各有何特點(diǎn)。（1） Buck-Boost型電壓變換器和Boost-Buck型電壓變換器兩者的輸入輸出電壓極性均為反向極性；（2） Buck-Boost型電壓變換器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，儲(chǔ)能元件較少，為一個(gè)電感，一個(gè)電容；Boost-Buck型電壓變換器電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，儲(chǔ)能元件較多，為兩個(gè)電感，兩個(gè)電容；（3） Buck-Boost型電壓變換器的輸入和二極管輸出電流均為斷續(xù)的脈動(dòng)電流；（4） Boost-Buck型電壓變換器的輸入輸出均有

20、電感，因此變換器的輸入輸出電流一般情況下均為連續(xù)電流（輕載時(shí)電流可能斷續(xù)），濾波易實(shí)現(xiàn)。3.11 試以二象限D(zhuǎn)C-DC變換器為例具體分析電路中二極管的作用。二象限D(zhuǎn)C-DC變換器電路中二極管的作用為通過(guò)續(xù)流緩沖負(fù)載無(wú)功，避免負(fù)載電感中電流突變，感應(yīng)出過(guò)電壓。同時(shí)二極管VDi、VD2還實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，減少了開(kāi)通損耗，具體工作過(guò)程如下：VTi、VT2采用互補(bǔ)調(diào)制驅(qū)動(dòng);VTi導(dǎo)通前，VDi導(dǎo)通續(xù)流，輸出電流io反向減小；io=0, VTi零電壓開(kāi)通，直流側(cè)電源通過(guò)VTi向負(fù)載供電，輸出電壓 u0=U,輸出電流io正向增大，負(fù)載電感儲(chǔ)能增加；VTi關(guān)斷，由于負(fù)載電感電流不能突變，VD2導(dǎo)通續(xù)

21、流，輸出電壓 u0=0。采用互補(bǔ)調(diào)制驅(qū)動(dòng)模式使 VT2有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但因VD2導(dǎo)通對(duì)VT2形成了反壓鉗位,VT2不能導(dǎo)通，因此輸 出電流io正向減小，負(fù)載電感儲(chǔ)能儲(chǔ)能減少;io=0, VD2關(guān)斷，VT2零電壓開(kāi)通，負(fù)載電動(dòng)勢(shì)通過(guò)VT2向負(fù)載電阻和電感供電，輸出電壓山=0,輸出電流io反向增加，負(fù)載電感儲(chǔ)能增加；VT2關(guān)斷，由于電感電流不能突變，VD1導(dǎo)通續(xù)流，輸出電壓 Uo=Uio采用互補(bǔ)調(diào)制驅(qū)動(dòng)模式使VTi有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但因VDi導(dǎo)通對(duì)VTi形成了反壓鉗位,VTi不能導(dǎo)通，輸出電流io 反向減小，負(fù)載電感儲(chǔ)能儲(chǔ)能減少。3.12 兩象限和四象限 DC-DC變換器有何區(qū)別？驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行應(yīng)

22、采用何 種DC-DC變換器？二象限D(zhuǎn)C-DC變換器輸出電壓極性不變，輸出電流極性可變；四象限 DC-DC變換器 輸出電壓，輸出電流極性均可變；兩種變換器能實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行需改變電樞電壓極性，應(yīng)采用輸出電壓可逆的四象限 DC-DC變換器。3.13 試說(shuō)明隔離型 DC-DC變換器出現(xiàn)的意義是什么。 形成低壓供電負(fù)載與電網(wǎng)電壓之間的電氣隔離 通過(guò)變壓器變壓，縮小變換器輸出電壓等級(jí)與輸入電壓等級(jí)之間的差異，擴(kuò)大調(diào)節(jié)控制范圍 通過(guò)設(shè)置不同匝數(shù)的副邊耦合繞組形成多路輸出，提供不同數(shù)值，不同極性的輸出電壓3.14 單端正激式變換器和單端反激式變換器有何區(qū)別？變換器變壓器原邊副邊工

23、作時(shí)間：?jiǎn)味苏な阶儞Q器：變壓器原邊副邊同時(shí)在開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)工作。單端反激式變換器：變壓器原邊在開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)工作，變壓器副邊在開(kāi)關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)工作，兩者不同步。 變壓器原邊加有單方向的脈沖電壓，由于磁芯的磁滯效應(yīng)，當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，線圈電壓或電流回到零，而磁芯中磁通并不回到零，形成剩磁通。剩磁通的累加可能導(dǎo)致磁芯飽和，因此需要進(jìn)行磁復(fù)位。磁復(fù)位的方式：?jiǎn)味苏な阶儞Q器：變壓器儲(chǔ)存的磁能通過(guò)去磁繞組 N3和箝位二極管 VD 2構(gòu)成的復(fù)位電路饋送到輸入電源側(cè)。單端反激式變換器：變壓器儲(chǔ)存 的磁能通過(guò)副邊繞組傳輸給輸出負(fù)載。輸出電壓的決定因素：1單端正激式變換器：Uo - D Ui輸出電壓僅決定于

24、變換器輸入電壓、變壓器的匝n比和n功率管的占空比，與負(fù)載電阻無(wú)關(guān)。具有降壓功能。單端反激式變換器：變壓器磁一，一1 D ，一、一、， 通連續(xù)狀態(tài)和磁通臨界連續(xù)狀態(tài)下Uo Ui，輸出電壓僅決定于變換器輸入電壓、n 1 D變壓器的匝比和功率管的占空比，與負(fù)載電阻無(wú)關(guān)，具有升降壓功能。變壓器磁通連續(xù)狀態(tài)和磁通臨界連續(xù)狀態(tài)下 U o UitonjR，輸出電壓Uo與負(fù)載電阻Rl有關(guān)，Rl愈大則 輸出電壓愈高，反之負(fù)載電阻愈小，則輸出電壓愈低，因此在進(jìn)行開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，不應(yīng)讓負(fù)載開(kāi)路，必須接入一定的負(fù)載， 或者在電路中接入“死負(fù)載”。 此外輸出電壓 Uo隨輸入電 壓Ui的增大而增大；也隨導(dǎo)通時(shí)間ton的增大而

25、增大；還隨N1繞組的電感量L1的減小而增 大。3.15 說(shuō)明題3.15圖隔離型Buck電路中由繞組 N3和二極管VD2構(gòu)成的支路有何作用。VD2 K廊Udston2u“ Ni、Ui(1+N3)T-uu，iD0UoN1N3題3.15圖隔離型Buck變換器在開(kāi)關(guān)管 VT截止期間，副邊傳遞能量的整流二極管VD也截止，儲(chǔ)存于變壓器磁芯中的剩磁能量無(wú)釋放途徑，從而會(huì)造成剩磁通積累，導(dǎo)致的磁芯飽和。電路中設(shè)置由繞組 N3和二極管VD 2構(gòu)成的支路為磁芯復(fù)位支路。在開(kāi)關(guān)管VT截止期間，N3兩端感應(yīng)出上正下負(fù)的電壓UN3,當(dāng)UN3大小超過(guò)Ui時(shí)，VD2導(dǎo)通，將變壓器儲(chǔ)存的剩磁能量送回輸入電源側(cè)，同時(shí)將Un3鉗

26、位在Ui上。N1和N2將承受下正上負(fù)的電壓，若有 N 3 =Ni,則Un1 = U，UN2=U，/n,開(kāi)關(guān)管VT承受反壓為Uds=U，+Un1=2U，。鉗位二極管 VD2保證 變壓器原副邊繞組， 去磁繞組N3兩端均不產(chǎn)生過(guò)電壓。 并且將開(kāi)關(guān)管 VT,副邊整流二極管 VD承受的反壓峰值限制在一定范圍內(nèi)，避免了器件損壞。3.16 試推導(dǎo)負(fù)載電流連續(xù)時(shí)隔離型Buck-Boost變換器的輸出直流電壓平均值。在負(fù)載電流連續(xù)的情況下VT導(dǎo)通期間磁通增量為VT關(guān)斷期間磁通增量為UiNitonUN1D Ts=-7 (Tston )N2Ui(1 D) Ts在穩(wěn)態(tài)條件下，變壓器一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)無(wú)剩磁積累即+ =UNi

27、UDF1得輸出電壓表達(dá)式1 D Uo Ui n 1 D3.17 試分析負(fù)載開(kāi)路時(shí)，隔離型Buck-Boost變換器會(huì)出現(xiàn)何種現(xiàn)象。若隔離型Buck-Boost變換器工作在磁通連續(xù)或臨界連續(xù)的模式下輸出電壓為1 DUo 1 ，Ui與負(fù)載無(wú)關(guān)，則無(wú)影響； n 1 D若隔離型Buck-Boost變換器工作在磁通斷續(xù)的模式下，輸出電壓為Uo Uiton /-R由,2LT此可見(jiàn)，輸出電壓 Uo與負(fù)載電阻RL有關(guān)，RL愈大則輸出電壓愈高，反之負(fù)載電阻愈小，則輸出電壓愈低，這是反激變換器的一個(gè)特點(diǎn)。 在進(jìn)行開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)， 不應(yīng)讓負(fù)載開(kāi)路，必須接入一定的負(fù)載，或者在電路中接入“死負(fù)載”。此外輸出電壓 Uo隨輸入

28、電壓Ui的增大而增大；也隨導(dǎo)通時(shí)間的增大而增大；還隨N1繞組的電感量L1的減小而增大。VT截止時(shí)，VD導(dǎo)通，副邊繞組 N2上的電壓幅值近似為輸出電壓 Uo（忽略VD的正向壓降及引線壓降），這樣，繞組 N1上感應(yīng)的電勢(shì) Un1應(yīng)為Uw U0,因此VT截止期間 N2漏一源極間承受的電壓為 Uds Ui Un1 Ui -N1Uoo由于Uds與輸出電壓Uo有關(guān)，UoN2還隨負(fù)載電阻的增大而升高。因此，負(fù)載開(kāi)路時(shí)，容易造成管子損壞。3.18試說(shuō)明變壓器隔離的推挽式變換器和變壓器隔離的全橋變換器的特點(diǎn)是什么。1.1 變壓器隔離的推挽式變換器是由開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)占空比相同，在相位上相差180o的兩個(gè)正激變換

29、器的輸出并聯(lián)得到，相比雙正激變換器，推挽式變換器中將續(xù)流二極管去掉，濾波電感經(jīng)過(guò)變壓器副邊繞組和整流二極管續(xù)流，且兩個(gè)變壓器共用一個(gè)磁芯，每個(gè)正激變換器從另一個(gè)正激變換器的原邊繞組和IGBT得本體二極管進(jìn)行磁復(fù)位，從而也將原來(lái)的磁復(fù)位電路去掉，這使得推挽變換器電路簡(jiǎn)單，且擁有較高的磁芯利用率變壓器隔離的全橋變換器，使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管串聯(lián)起來(lái)作一個(gè)開(kāi)關(guān)管用，降低了開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力；且全橋變換器中的四個(gè)開(kāi)關(guān)管工作在交錯(cuò)的半周，對(duì)角線相對(duì)的管子VT2和VT4或VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通，變壓器原邊磁通在一個(gè)半周沿磁滯回線上移，在另一個(gè)半周沿著磁滯回線反極性下移，從而提高了變壓器的利用率。3.19 試畫(huà)出變壓器

30、隔離的全橋變換器的電路拓?fù)?，并分析其變壓器原邊、開(kāi)關(guān)管兩端 的電壓波形和流過(guò)變壓器原邊的電流波形。(1) 變壓器隔離的全橋變換器的電路拓?fù)淙鐖D所示UiVT1,JZVDi VT3JV VD 3VT2L 2K.VD2 VT4-IL Z，VDVD。VD5畀(2)流波形隔離型全橋變換器變壓器原方、 開(kāi)關(guān)管兩端的電壓波形和流過(guò)變壓器原邊的電toti階段：能量傳輸階段；to時(shí)刻，給VT1、VT4加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，VTi、VT4飽和導(dǎo)通。VT2、 VT4兩端電壓Ucei、Uce4均為0。VT2、VT3均承受反壓Ui即1k2、%3均為U。由于VTi、VT4 導(dǎo)通，變壓器原邊繞組 Np兩端電壓UT極性為上正下負(fù)，大小

31、等于輸入電壓 Ui。其中流過(guò)電流ip, ip由負(fù)載電流折算值和磁化電流所組成并且在正方向上隨時(shí)間以額定速率逐漸增大。同時(shí)，副邊的整流二極管VD5導(dǎo)通，VD6關(guān)斷，電流上升速率由濾波電感L確定。tit2階段：續(xù)流階段；VTiVT4均關(guān)斷，VTi、VT4串聯(lián)承受反壓 Ui, VT2、VT3串聯(lián)承 受反壓Ui,則VTiVT 4兩端電壓均為 Ui/2。變壓器原邊繞組 NP流過(guò)電流ip=0.電感L中的電 流通過(guò)變壓器副邊繞組和二極管 VD5、VD。續(xù)流，兩個(gè)二極管 VD5、VD。幾乎同等的導(dǎo)通，也有相同的正向壓降，因而變壓器副邊繞組Ns兩端電壓為0,折算到變壓器原邊繞組Np兩端電壓Ut也為0。t2時(shí)刻，

32、給VT2、VT3加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，VT2、VT 3飽和導(dǎo)通，電路進(jìn)入下半 周期t2t3階段：能量傳輸階段；t2時(shí)刻，給VT2、VT3加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，VT2、VT3飽和導(dǎo)通。VT2、 VT3兩端電壓Uce2、Uce3均為0。VTl、VT4均承受反壓Ui即Ucel、Uce4均為Ui。由于VT2、VT3導(dǎo)通，變壓器原邊繞組 Np兩端電壓Ut極性為上負(fù)下正，大小等于輸入電壓 Ui。其中流過(guò)電流ip, ip由負(fù)載電流折算值和磁化電流所組成并且在反方向上隨時(shí)間以額定速率逐漸增大。同時(shí)，副邊的整流二極管 VD6導(dǎo)通，VD5關(guān)斷，電流上升速率由濾波電感L確定。t3t4續(xù)流階段；VTiVT4均關(guān)斷，VTl、VT4串聯(lián)承受

33、反壓 Ui, VT2、VT3串聯(lián)承受反壓 Ui,則VTiVT4兩端電壓均為 Ui/2 0變壓器原邊繞組 NP流過(guò)電流ip=0。電感L中的電流通 過(guò)變壓器副邊繞組和二極管VD5、VD6續(xù)流，兩個(gè)二極管 VD5、VD 6幾乎同等的導(dǎo)通，也有相同的正向壓降，因而變壓器副邊繞組 Ns兩端電壓為0,折算到變壓器原邊繞組 Np兩端電 壓Ut也為0。3.20 試以半橋變換器為例，說(shuō)明開(kāi)關(guān)管動(dòng)態(tài)特性參數(shù)對(duì)電路工作有何不利影響，可以 采取何種措施消除或減小這些影響。圖3-28半橋變換器的電路拓?fù)銪的電位隨VT開(kāi)關(guān)管動(dòng)態(tài)特性參數(shù)對(duì)電路工作有何不利影響：由于兩個(gè)電容連接點(diǎn)VT2導(dǎo)通情況而浮動(dòng)的，所以能自動(dòng)地平衡每個(gè)

34、晶體管開(kāi)關(guān)的伏秒值。若這兩個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)具有不同的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，即在相同寬度的基極驅(qū)動(dòng)脈沖作用下開(kāi)關(guān)管VT 1較慢關(guān)斷，而開(kāi)關(guān)管VT2則較快關(guān)斷時(shí)，則在VTi連接點(diǎn)處產(chǎn)生了不平衡的伏秒值。如果讓這種不平衡的波形驅(qū)動(dòng)變壓器，將會(huì)發(fā)生偏磁現(xiàn)象，致使鐵芯飽和并產(chǎn)生過(guò)大的開(kāi)關(guān)管集電極電流，從而降低了變換器的效率，使開(kāi)關(guān)管失控，甚至燒毀。改善偏磁現(xiàn)象的措施：在變壓器原邊線圈中加入一個(gè)串聯(lián)耦合電容C3,則與不平衡的伏秒值成正比的直流偏壓將被此電容通過(guò)隔直作用濾掉，這樣在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間， 就可以平衡電壓的伏秒值。減少開(kāi)關(guān)管動(dòng)態(tài)特性參數(shù)對(duì)電路工作的不利影響：在晶體管基極電路上加入嵌位二極管，使其工作在臨界飽

35、和狀態(tài)下，較少了存儲(chǔ)時(shí)間，使晶體管的關(guān)斷時(shí)間盡量趨于一致。3.21 Buck電路是如何實(shí)現(xiàn)電壓變換、電流變換的；Buck電路和Boost電路又有怎樣的聯(lián)系？圖3.1為基本的DC-DC電壓變換原理電路及輸入、輸出波形?；镜腄C-DC電壓變換原理電路圖見(jiàn)圖3.1 (a),從圖中可以看出：輸入電壓源 片通過(guò)開(kāi)關(guān)管VT與負(fù)載凡相關(guān)聯(lián)， 當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓等于輸入電壓，即 Uo=Ui；而當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)，輸出電壓等于零，即Uo=0o基本電壓變化的輸出波形如圖3.1 (c)所示，顯然，若令輸出電壓的平均值為U。，則UoUio可見(jiàn)圖3.1 (a)所示的電壓變換器實(shí)現(xiàn)了降壓型DC-DC變換器(B

36、uck電壓變換器)的基本變換功能。圖3-1 (b)為基本的DC-DC電流變換原理電路，從圖中可以看出：輸入電流源 h通過(guò) 開(kāi)關(guān)管VT與負(fù)載R相并聯(lián)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)，輸出電流等于輸入電流，即io=ii；而當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，輸出電流為 0,即io=0?；镜碾娏髯兓妮敵霾ㄐ稳鐖D3.1 (d)所示，顯然，若令輸出電流的平均值為I。，則Ioiio圖3.1(b)所示的變換電路實(shí)現(xiàn)了降流型DC-DC變換器(Buck電流變換器)的基本變換功能。(a)電壓變換原理電路(b)電流變換原理電路(c)電壓變換波形(d)電流變換波形圖3-1 DC-DC電壓、電流變換原理電路及輸入、輸出波形若考慮變換器的輸入、

37、輸出能量的不變性(忽略電路及元器件的損耗)，則Buck型電壓變換器在完成降壓變換的同時(shí)也完成了升流變換，同理Boost型電流變換器在完成降流變換的同時(shí)也完成了升壓變換。可見(jiàn)，Boost型電壓變換和Buck型電流變換以及 Boost型電流變換和Buck型電壓變換存在功能上的對(duì)偶性。3.22 如何在Buck和Boost電路的基礎(chǔ)上構(gòu)建升降壓斬波電路？并比較 Buck-Boost電 路和Boost-Buck電路之間存在怎樣的異同點(diǎn)。將Boost型、Buck型變換器電路相互串聯(lián)并進(jìn)行適當(dāng)化簡(jiǎn)，即可構(gòu)建Boost-Buck型變換器。Boost-Buck型DC-DC電壓變換器構(gòu)建的方法： 輸入級(jí)采用Boo

38、st型電壓變換器，并將其輸出負(fù)載省略。輸出級(jí)則采用Buck型電壓變換器電路，并將其輸出電壓源省略。串聯(lián)Boost型電壓變換器電路的輸出與Buck型電壓變換器電路的輸入。 若假設(shè)兩電路串聯(lián)后的開(kāi)關(guān)管VTi、VT2為同步斬波開(kāi)關(guān)管，省略冗余元件。根據(jù)開(kāi)關(guān)管VTi、VT2導(dǎo)通時(shí)，所構(gòu)成的兩個(gè)獨(dú)立的電流回路拓?fù)洌喜?VTi、VT2為 VT12,得到一個(gè)等效電流。根據(jù)開(kāi)關(guān)管VTi、VT2關(guān)斷時(shí)，所構(gòu)成的兩個(gè)獨(dú)立的電流回路拓?fù)?，合并VDi、VD2合并為VD 12,得到另一個(gè)等效電路。使上述兩個(gè)變換器等效電路的輸入輸出具有公共電位參考點(diǎn)得到boost-buck型DC-DC電壓變換器。兩類(lèi)變換器的輸入輸出電

39、壓極性均為反向極性，相對(duì)于Boost-Buck型電壓變換器，Buck-Boost型電壓變換器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且其中的儲(chǔ)能元件也比較小。但是 Buck-Boost 型電壓變換器中由于輸入輸出電流均有電感，因此變換器的輸入輸出電流一般情況下均為連續(xù)電流（輕載時(shí)電流可能斷續(xù)）。3.23 簡(jiǎn)述如圖所示的升壓斬波電路的工作原理。i題3.23圖假設(shè)電路中的電感值 L值很大，電容 C值也很大。當(dāng) VT處于通態(tài)時(shí)，電源向電感 L 充電，充電電流基本恒定為 Ii,同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載 R供電，因C值很大，基本保持 輸出電壓為恒值 Uo。設(shè)VT處于通態(tài)的時(shí)間為ton,此階段電感L上積蓄的能量為 Ellton。

40、當(dāng) VT處于斷態(tài)時(shí)E和L共同向電容C充電并向負(fù)載 R提供能量。設(shè)VT處于斷態(tài)的時(shí)間為tof, 則在此期間電感 L釋放的能量為（Uo-E） Ivtoffo當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即：化簡(jiǎn)得:Ellton(Uo E)小tontoff etoffTtoff式中的T/toff1,輸出電壓高于電源電壓，故稱(chēng)該電路為升壓斬波電路。3.24 什么是直流斬波電路的電流連續(xù)狀態(tài)和電流斷續(xù)狀態(tài)？基本直流斬波電路包含降壓（Buck）斬波電路、升壓（Boost）斬波電路，升降壓（Buck-Boost）斬波電路和丘克（Cuk）斬波電路。對(duì)于Buck、Boost和Buck-Boo

41、st斬波電路，電流連續(xù)狀態(tài)對(duì)應(yīng)電感電流恒大于零，介于 Ii與I2之間變化；電流斷續(xù)狀態(tài)是指在開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷的toff期間內(nèi)，電感電流iL已降為零，且保持一段時(shí)間。對(duì)于 Cuk斬波電路，電流連續(xù)狀態(tài)是指在開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷的&期間內(nèi)，流過(guò)二極管 VD （不是電感）的電流總是大于零；電流斷續(xù)狀態(tài)是指開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷的toff期間內(nèi)，流過(guò) VD電流降為零，且保持一段時(shí)間。3.25 試分別簡(jiǎn)述升降壓斬波電路和Cuk斬波電路的基本原理，并比較其異同點(diǎn)。升降壓斬波電路的基本原理：當(dāng)可控開(kāi)關(guān)VT處于通態(tài)時(shí)，電源E經(jīng)VT向電感L供電使其貯存能量。此后，使 VT關(guān)斷，電感L中貯存的能量向負(fù)載釋放。負(fù)載電壓極性為上負(fù) 下正，

42、與電源電壓極性相反。穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期 T內(nèi)電感L兩端電壓Ul對(duì)時(shí)間的積分為零，即TuL dt 00 L當(dāng)VT處于通態(tài)期間，u_ = E;而當(dāng)VT處于斷態(tài)期間，ul = - uoo于是:EtonU0t0ff所以輸出電壓為:Uoton etofftonT ton改變導(dǎo)通比 為輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0g1/2時(shí)為 降壓，當(dāng)1/251時(shí)為升壓，因此將該電路稱(chēng)作升降壓斬波電路。Cuk斬波電路的基本原理：當(dāng) VT處于通態(tài)時(shí)，ELi VT回路和R L2C VT回路 分別流過(guò)電流。當(dāng) VT處于斷態(tài)時(shí)，ELi-C-VD回路和RL2 VD回路分別流過(guò)電流。 輸出電壓的極性與電源電壓極性

43、相反。假設(shè)電容C很大使電容電壓 Uc的脈動(dòng)足夠小時(shí)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S合到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)電壓Ub=0,A點(diǎn)電壓Ua= - Uc；相反，當(dāng)S合到A點(diǎn)時(shí)，Ub= Uc, Ua=0。因此，B點(diǎn)電壓Ub的平均值為Ub tofLUc （Uc為電容電壓 Uc的平均值），又因電感 Li的電壓平均值為零，所以E Ub tfUc。另一方面，A點(diǎn)的電壓平均值為Ua ?Uc ,且L2的電壓平均值為 零，按圖3-4中輸出電壓Uo的極性，有Uo tjUc。于是可得出輸出電壓 Uo與電源電壓E 的關(guān)系：Uoon eoneU Tton1兩個(gè)電路實(shí)現(xiàn)的功能是一致的，均可方便的實(shí)現(xiàn)升降壓斬波。與升降壓斬波電路相比,cuk斬波電路有一個(gè)明顯

44、的優(yōu)點(diǎn)，其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小, 有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波。3.26 對(duì)于如圖所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動(dòng)機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)，試分析 此時(shí)電路的工作情況，并繪制相應(yīng)的電流流通路徑圖，同時(shí)標(biāo)明電流流向。需使電動(dòng)機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由V3和VD 3構(gòu)成的降壓斬波電路工作，此時(shí)需要V2保持導(dǎo)通，與 V3和VD 3構(gòu)成的降壓斬波電路相配合。當(dāng)V3導(dǎo)通時(shí)，電源向 M供電，使其反轉(zhuǎn)電動(dòng)，電流路徑如下圖:當(dāng)V3關(guān)斷時(shí)，負(fù)載通過(guò) VD3續(xù)流，電流路徑如下圖:二、計(jì)算題3.27如圖所示為理想 Buck變換器，已知：Ud=100V,開(kāi)關(guān)頻率為20kHz,占空比為 D =

45、0.6,電阻為R,電感為L(zhǎng),電容為C。試計(jì)算在電流連續(xù)狀態(tài)下的：(1)輸出電壓；(2)電感電流的最大值和最小值；(3)開(kāi)關(guān)管和二極管的最大電流；(4)開(kāi)關(guān)管和二極管承受的最大電壓。Ul iXVT_ uEO+wyxZ 二lTLUgioUdZVD題3.27圖在電流連續(xù)狀態(tài)下(1)輸出電壓UoDUi DUd0.6 100 60V(2)Ts1320 1035 10 5stonDTs 0.6 5 10 53 10 5s穩(wěn)態(tài)電流脈動(dòng)Uo、Ui Uo.VT導(dǎo)通時(shí) iL+ -ton ； VT關(guān)斷時(shí)iL-I Lmax I oiL+Uo 一 ，、工(Ts ton)；Uo Ui Uo, tonI Lmin = I o一 iL-2UoR 2LUo(Ts 2Lton)已知Uo=60V , Ui=Ud=100V代入上述表達(dá)式得I Lmax60 100 60- 3 10606 10 42LI Lmin606055、(5 103 10 )2L一 一 460 6 10(4)開(kāi)關(guān)管和二極管承受的最大電壓均為變換器輸入電壓(3)由于續(xù)流連續(xù)，開(kāi)關(guān)管和二極管的最大電流均為電感電流的最大值，為_(kāi)4.60 6 10I Smax I Dmax I Lmax U Smax U Dmax Ui 100V3.