电力电子学第三章课后作业答案

3.1．直流－直流电压变换中开关器件的占空比D是什么？推证图3.1(c)所示脉宽时间为onT、脉宽角度为、周期为ST、幅值为SV的方波脉冲电压)(tvO的直流平均值及各次谐波的幅值。解答：占空比D是开关管导通时间onT与开关周期ST的比值。图3.1(c)中方波脉冲电压)(tvO可以表示为如下傅立叶表达式：1)cos()sin(2)(nSSOtωnπnDπnVDVtωV其中常数项为直流平均值，即SODVV；各余弦项为各次谐波，其幅值为：)sin(2)2sin(2πnDπnVθnπnVaSSn。3.2．脉冲宽度调制PWM和脉冲频率调制PFM的优缺点是什么？解答：脉冲宽度调制方式PWM，保持ST不变（开关频率不变），改变onT调控输出电压0V。脉冲频率调制方式PFM。保持onT不变，改变开关频率或周期调控输出电压0V。实际应用中广泛采用PWM方式。因为采用定频PWM开关时，输出电压中谐波的频率固定，滤波器设计容易，开关过程所产生电磁干扰容易控制。此外由控制系统获得可变脉宽信号比获得可变频率信号容易实现。但是在谐振软开关变换器中为了保证谐振过程的完成，采用PFM控制较容易实现。3.3．Buck变换器中电感电流的脉动和输出电压的脉动与哪些因数有关，试从物理上给以解释。解答：电感电流的脉动量与电感量L、开关频率Sf、输入电压SV、输出电压OV有关，输出电压的脉动量与电感量L、电容量C、开关频率Sf、输出电压OV有关。电感量L、电容量C越大其滤波效果越好，而开关频率Sf越高，滤波电感的交流阻抗Lω就很大，它对直流电压的阻抗基本为0，同时滤波电容的交流阻抗Lω1很小。3.4．Buck变换器断流工况下的变压比M与哪些因数有关，试从物理上给以解释。解答：Buck变换器在电流断续工况下其变压比M不仅与占空比D有关，还与负载电流OI的大小、电感L、开关频率Sf以及电压OV等有关。3.5．图3.2(a)、3.5(a)电路稳态时在一个开关周期中，电感电流的增量0LI，电感L的磁通增量是否为零，为什么？电容C的电流平均值为零，电容C端电压的增量是否为零，为什么？解答：电路处于稳态时，在一个开关周期内电感电流的增量0LI，同时电感L的磁通增量0，因为如果一个周期内电感的磁通增量0，那么电感上的磁通将无法复位，也即电感上的能量不断累积，最终将达到饱和，甚至烧毁电感，所以稳态工作时应使一个开关周期内电感L的磁通增量0。电容C的电流平均值为0，那么电容C端电压的增量也为0，因为稳态时一个周期内电容上的充电电荷等于放电电荷，即电容上电荷增量0Q，而电容端电压增量CQuc，故电容C端电压的增量也为0。3.6．Buck变换器中电流临界连续是什么意思？当负载电压OV、电流OI一定时在什么条件下可以避免电感电流断流?解答：Buck变换器中电感电流临界连续是指处于电感电流连续和电感电流断流两种工况的临界点的工作状态。这时在开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。当负载电压OV、电流OI一定时增大电感量L和提高开关频率Sf都可以避免电感电流断流。3.7．开关电路实现直流升压变换的基本原理是什么？解答：为了获得高于电源电压SV的直流输出电压OV，一个简单而有效的办法是在变换器开关管前端插入一个电感L，如右图所示。在开关管T关断时，利用图中电感线圈L在其电流减小时所产生的反电势Le(在电感电流减小时，dtLdieLL/为正值)，将此电感反电势Le与电源电压SV串联相加送至负载，则负载就可获得高于电源电压SV的直流电压OV，从而实现直流升压变换。3.8．Boost变换器为什么不宜在占空比D接近1的情况下工作？解答：因为在Boost变换器中，开关管导通时，电源与负载脱离，其能量全部储存在电感中，当开关管关断时，能量才从电感中释放到负载。如果占空比D接近于1，那么开关接近于全导通状态，几乎没有关断时间，那么电感在开关管导通期间储存的能量没有时间释放，将造成电感饱和，直至烧毁。因此Boost变换器不宜在占空比D接近1的情况下工作。同时，从Boost变换器在电感电流连续工况时的变压比表达式)1/(1/DVVMSO也可以看出，当占空比D接近1时，变压比M接近于无穷大，这显然与实际不符，将造成电路无法正常工作。3.9．升压－降压变换器（Cuk变换器）的工作原理及主要优点是什么？解答：Cuk变换器在一个开关周期中，offT期间，令开关管T导通，这时电源经电感L1和T短路，L1电流线性增加，电源将电能变为电感L1储能，与此同时电容C1经T对C2及负载放电，并使电感L2电流增大而储能。在随后的offT期间，开关管T阻断，电感L1电流经电容C1及二极管D续流，此时，电感L2也经D续流，L2的磁能转化为电能对负载供电。Cuk变换器的优点是仅用一个开关管使电路同时具有升、降压功能；而且该变换器输入输出电流脉动小。3.10．如何理解Cuk变换器中间电容电压1CV等于电源电压SV与负载电压OV之和，即OSCVVV1？解答：电感电压dtLdidtdvL//，稳态运行时，一个开关周期ST中电感1L、2L电流增量为零，磁链增量为零，电感两端电压的直流平均值为零。因此Cuk电路拓扑结构图可直接得到直流平均电压OSCVVV1。3.11．直流－直流四象限变换器的四象限指的是什么？直流电机四象限运行中的四象限指的是什么？这两种四象限有什么对应关系？解答：直流—直流四象限变换器的四象限指的是变换器的输出电压ABV、输出电流ABI均可正可负的四种组合。直流电机四象限运行中的四象限指的是电机的转速和电磁转矩可正可负的四种组合。对于电机的转速有：eABeABaABeaKVKIRVKEN对于电机的电磁转矩Te：ABTeIKT在励磁电流不变、磁通不变时电机的转速、电磁转矩大小和方向由VAB、IAB决定。通过改变VAB的大小及IAB的大小和方向，调控电机在正方向下旋转时的转速及电磁转矩Te的大小和方向，既可使直流电机在电动机状态下变速运行亦可在发电机制动状态下变速运行。因此直流—直流四象限变换器的四象限和直流电机运行中的四象限之间存在一一对应的关系，如图3.12(d)所示(应该画出电路)。图3.5Boost变换器的电路及其主要波形3.12．多重、多相直流—直流变换器中，多重（重数1m），多相（相数1n）指的是什么意义？多重、多相变换器的优点是什么？解答：假定变换器中每个开关管通断周期都是ST，多重（重数1m）是指：在一个ST周期中变换器负载电流)(tiO脉动m次（1m），即)(tiO脉动频率为Smf。多相（相数1n）是指：在一个ST周期中变换器电源侧电流)(tiS脉动n次，即)(tiS脉动频率为Snf。多重、多相变换器的优点是：其输出电压、输入电流脉动频率比单个变换电路成倍地提高，因而可以显著改善变换器输入、输出特性或者减少变换器对LC滤波器重量体积的要求，同时多重、多相复合变换器还能扩大变换器的输出容量。3.13．说明单端正激、单端反激DC/DC变换器工作原理。解答：单端正激DC/DC变换器从电路结构、工作原理上可以看出它是带隔离变压器的Buck电路如图3.14(b)所示(应该画出电路)，开关管T导通时经变压器将电源能量直送负载被称为正激。但是匝比N2/N1不同时，输出电压平均值Vo可以低于也可高于电源电压Vd。变压器磁通只在单方向变化被称为单端。图3.15(b)所示(应该画出电路)为单端反激DC/DC变换器，T导通的期间，电源电压Vd加至N1绕组，电流1i直线上升、电感L1储能增加，副方绕组N2的感应电势0DFe，二极管D1截止，负载电流由电容C提供，C放电；在T阻断的期间，N1绕组的电流转移到N2，感应电势0DFe（反向为正），使D1导电，将磁能变为电能向负载供电并使电容C充电。该变换器在开关管T导通时并未将电源能量直送负载，仅在T阻断的期间才将变压器电感磁能变为电能送至负载故称之为反激，此外变压器磁通也只在单方向变化，故该电路被称为单端反激DC/DC变换器。