1、第二章 2.1 试说明电力电子器件和信息系统中的电子器件相比，有何不同。 答：具有较大的耗散功率；通常工作在开关状态；需要专门的驱动电路来控制；需要缓冲和 保护电路。 2.2 试比较电流驱动型和电压驱动型器件实现器件通断的原理。 答：电流驱动型器件通过从控制极注入和抽出电流来实现器件的通断；电压驱动型器件通过 在控制极上施加正向控制电压实现器件导通，通过撤除控制电压或施加反向控制电压使器件 关断。 2.3 普通二极管从零偏置转为正向偏置时，会出现电压过冲，请解释原因。 答：导致电压过冲的原因有两个：阻性机制和感性机制。阻性机制是指少数载流子注入的电 导调制作用。电导调制使得有效电阻随正向电流的
2、上升而下降，管压降随之降低，因此正向 电压在到达峰 值 电压 U FP 后转为 下降， 最后稳定 在 U F 。感性机制是指电流随 时间 上升在器 件 内部 电感上 产生 压降， di/dt越 大，峰 值 电压 U FP 越高 。 2.4 试说明功率二极管为什么在正向电流较大时导通压降仍然很低，且在稳态导通时其管压 降不随电流的大小而变化。 答： 若 流过 PN结 的电流较 小 ， 二 极管的电阻 主 要是低 掺杂 N - 区 的 欧姆 电阻，阻 值 较 高且为 常数，因而 其 管压降随正向电流的上升而 增 加； 当 流过 PN结 的电流较大 时 ，注入 并积累 在 低 掺杂 N - 区 的少
3、子 空穴浓度将增 大， 为了维持半 导 体 电 中 性 条 件， 其多 子 浓度也相应 大 幅 度增 加，导致 其 电阻率 明显 下降， 即 电导率大大 增 加， 该 现 象称为 电导调制效 应 。 2.5 比较肖特基二极管和普通二极管的反向恢复时间和通流能力。从减小反向过冲电压的 角度出发，应选择恢复特性软的二极管还是恢复特性 硬 的二极管 ？ 答： 肖特基二 极管反向 恢复时间比普 通 二 极管 短 ，通流 能力比普 通 二 极管 小 。从 减小 反向过 冲电压的 角度 出 发 ， 应选择恢复特 性 软 的 二 极管。 2.6 描述晶闸 管正 常 导通的 条 件。 答： 承受 正向电压 且
4、 有门极 触发 电流。 2.7 维持晶闸 管导通的 条 件是什么 ？怎样才 能 使晶闸 管 由 导通变为 关 断 ？ 答： 晶闸 管流过的电流大 于维持 电流；通过 外部 电路使 晶闸 管流过的电流低 于维持 电流。 2.8 若 流过 晶闸 管的电流 波形如题 2.8图所示 ，电流 峰值 为 I m ，试 求该 电流的 波形 系 数 ， 并 选择 晶闸 管 （ 不 考虑 电压 、 电流 裕量） 。 答： = = p p p w w p 3 / m m T(AV) 4 3 ) ( d sin 2 1 I t t I I m 3 / 2 m T 45 . 0 d ) sin ( 2 1 I t t
5、 I I = = p p w w p88 . 1 T(AV) T f = = I I K 不考虑 电流 裕量 ， 晶闸 管 额定 电流 为 0.45I m /1.57=0.29 I m2.9 试 分析可 能出现的 晶闸 管的 非 正 常 导通 方式 有 哪几种 。 答： 阳 极电压达到正向 转折 电压 U bo ； 阳 极电压上升率 du/dt过 高 ； 结温 过 高 。 2.10 晶闸 管 串入 2.10图所示 的电 路 ，试 分析开关闭合 和 关 断时电压 表 的 读数 。 答：在 晶闸 管有 触发脉 冲的 情况 下， S开关 闭合 ，电压 表读 数 接近 输 入 直 流电压； 当 S开关
6、 断开 时 ， 由 于 电压 表内 阻 很 大， 即 使 晶闸 管有 触发脉 冲， 但 是流过 晶闸 管电流低 于 擎住 电流， 晶闸 管关断，电压 表读 数 近 似 为 0（ 管子 漏 电流 形成 的电阻 与 电压 表内 阻的 分 压 值 ） 。 2.11 为什么 GTO的 内部结构与 普通 晶闸 管相 似 ， 但却可以 通过 施加门 极 负 电流 使 其 关 断 ？ 答： GTO是 一种 多 元 的功率 集成 器件， 内部 包含 数 十 个 甚至 数 百 个 共 阳 极的 小 GTO元 ， 这 些 GTO元 的 阴 极和门极 则 在器件 内部并 联 在 一起 。 这种 结 构 使得门极和
7、阴 极 间 的 距离 大 为 缩 短 ， P 2 基区 的 横 向电阻 很 小 ， 便 于 从门极抽出较大的电流； 其 a 2 较大，使得 晶体 管 V 2 对 门极电流的反 应比 较 灵敏 ， 同 时其 1 + 2 1.05， 更 接近于 1，使得 GTO导通 时 饱 和 程 度 不 深 ， 更 接近于 临界饱 和，从而 为 门极控制关断 提供 有 利 条 件。 2.12 Power MOSFET和 GTR哪个易于并联 ，为什么 ？ 答： Power MOSFET更易 于并 联 ， 其 导通 沟道 电阻 为 正 温度 系 数。 2.13 试解释 Power MOSFET的 开关频 率 高于
8、GTR、 IGBT、 GTO。 答： Power MOSFET为 单 极性器件， 没 有少数载流子 存贮 效 应 ，反向 恢复时间 很 短 。 2.14 试说明动态 参数 通态电流 临界上升 率 di/dt和断态电压 临界上升 率 du/dt的 意义 。 答： 晶闸 管门极注入 触发 电流 后 ， 晶闸 管开 始只 在 靠 近 门极 附 近 的 小区 域 内 导通，随 着 时间 的 推移 ，导通 区 才逐渐扩 大到 PN结 的 全 部 面 积 。 如果 阳 极电流上升 太快 ， 则会 导致门极 附 近 的 PN结 因电流 密 度 过大而 烧毁 ，使 晶闸 管 损坏 。 所以对 晶闸 管 必须规
9、 定 允许 的 最 大通态 电流上升率， 称为 通态电流 临界 上升率 di/dt。 题 2.10图 题 2.8图 晶闸 管的 结 面 在阻断状态下 相当于 一 个电 容 ， 若 突 加 一 正向 阳 极电压， 便会 有 一 个 充 电电流流过 结 面 ， 该 充 电电流流 经靠 近 阴 极的 PN结时 ， 产生相当于触发 电流的作用， 如果 这 个电流过大， 会 使 元 件 误 触发 导通，因此 对 晶闸 管 还 必须规 定 允许 的 最 大断态电压上升率。 在 规 定条 件下， 晶闸 管 直 接 从断态 转 换 到通态的 最 大 阳 极电压上升率， 称为 断态电压 临界 上 升率 du/d
10、t。 2.15 试解释为什么 GTR有二 次击穿 现 象 ，而 Power MOSFET没 有。 答： GTR有 二 次击穿 现 象 ，而 Power MOSFET没 有 二 次击穿 现 象 的 根本 原因是 这 两 种 器件 的工作载流子性 质 不 同 。 GTR 这 类双 极性器件 主 要 依 靠 少数载流子的注入 传 导电流，少数 载流子的注入 密 度 随 结温 升 高 而 增 大。电流的 增 大使 结温 进 一 步 升 高 ，从而使得电流 与 结温 之 间 具有正反 馈 的关 系 。而功率 MOSFET主 要 依 靠 多 数载流子导电， 多 数载流子的 迁 移 率 随 温度 的上升而下
11、降， 其 宏观 表 现 就 是 漂 移 区 的电阻升 高 ，电阻升 高 会 使电流 减小 ，电流的 减小 使得 结温 下降，从而使得电流 与 结温 之 间 呈负 反 馈 关 系 。 该特 性 不 仅 使得功率 MOSFET 没 有 热 反 馈引 起 的 二 次击穿 现 象 ， 其 安 全 工作 区 大大 增 大。 2.16 从 最 大 容量、开关频 率和驱动电 路三方面 比较 SCR、 Power MOSFET和 IGBT的特性。 答： 最 大 容 量 递 增 顺序 为 Power MOSFET、 IGBT、 SCR；开关 频 率 递 增 顺序 为 SCR、 IGBT、 Power MOSFE
12、T； SCR为 电流型驱动；而 Power MOSFET和 IGBT为 电压型驱动。 2.17 解释电力电子 装 置 产生 过电压的原因。 答：电 力 电子 装置可 能 的过电压原因 分 为外 因和 内 因。 外 因过电压 主 要来 自雷击 和 系 统 中 的 操 作过 程 等 外部 原因， 如由分 闸 、 合闸 等 开关 操 作 引 起 过电压。而 内 因过电压 主 要来 自 电 力 电子 装置 内部 器件的开关过 程 。 1） 换 相 过电压： 晶闸 管或 与全 控型器件反 并 联 的 二 极管在 换 相结 束 后不能 立刻 恢复 阻断，因而有较大的反向电流流过， 当恢复了 阻断 能力时
13、， 该 反向 电流 急剧 减小 ， 会 因 线 路电感在器件两 端 感 应 出过电压； 2） 关断过电压： 全 控型器件关断 时 ，正向电流 迅速 降低而 由 线 路电感在器件两 端 感 应 出的过电压。 2.18 在电力电子 装 置中 常用 的过电流 保护 有 哪些？ 答： 快 速熔 断器 、 快 速 断路器和过电流 继 电器 都 是专用的过电流保护 装置 ， 还 有通过驱动实 施保护的电子电路过流保护。 2.19 采 用 IGBT作 为功率 开关 器件， 画 出 RCD缓 冲电 路 ， 并分析 RCD中 各元 件的 作 用 。 答： V截止 时 ， 负 载电流通过 VDs向 Cs分 流，
14、减 轻 V的 负担 ， 可抑 制 由 Ldi/dt引 起 的过 电压。 V导通 时 ， Cs上 能量 通过 Rs释放 。 2.20 试 分析 电力电子器件 串并联使用 时 可 能出现什么 问 题 及 解 决 方 法 。 答： 采 用 多 个功率管 串 联 时 ， 应考虑 断态 时 的 均 压 问 题 。 应 在功率管两 端 并 联 电阻 均衡静 态 题 2.19图 压降， 并 联 RC电路 均衡 动态压降。 采 用 多 个功率管 并 联 时 ， 应考虑 功率管 间 的 均 流 问 题 。在 进行 并 联 使用 时 ， 应 尽 选择 同 一 型 号 且 同一 生产 批次 的 产 品 ，使 其 静
15、 态和动态 特 性 均 比 较 接近 。 其中 功率 MOSFET沟道 电阻具 备 正 温度 系 数， 易 于并 联 。 2.21 电力电子器件为什么 加装 散热 器 ？ 答： 与 信息 系 统 中 的电子器件 主 要 承 担信号传 输 任务 不 同 ，电 力 电子器件 处理 的功率较大， 具有较 高 的导通电流和阻断电压。 由 于 自身 的导通电阻和阻断 时 的 漏 电流，电 力 电子器件要 产生 较大的耗散功率， 往往 是电路 中主 要的 发 热源 。 为 便 于 散 热 ，电 力 电子器件 往往 具有较 大的 体积 ，在使用 时 一 般都 要 安装 散 热 器， 以 限 制因 损 耗 造
16、 成 的 温 升。 第三章 3.1 试 简 述 4种 基 本 DC/DC变 换 器电 路构 建 的基 本思 路与方 法 。 答： 1） buck型 DC-DC电压 变换 器 构 建 的 基 本思 路： 1构 建 buck型 DC-DC电压 变换 器的 基 本 原 理 电路 输 入电压 源 U i 通过开关管 VT与 负 载 RL相 串 联 开关管 VT导通 时 ， 输 出电压 等 于 输 入电压， 即 u o U i开关管 VT关断 时 ， 输 出电压 等 于 零 ， 即 u o 0 输 出电压的 平均 值为 U o =（ U i t on +0 t off ） /T = D U i, 由 于
17、 D 1,U o U i该 电路 起 到 了 降压 变换 的 基 本 功 能 。电路 结 构 和工作 波 形 见 下 图 。 2buck型电压 变换 电路的 输 出电压 呈方波 脉 动， 为 抑 制 输 出电压 脉 动需要在 基 本 原 理 电路 的 输 出 端 两 侧 并 入 滤波 电 容 C。电路 结 构 见 下 图 。 L R o u i u3由 于 U o U i ，开关管 VT导通 时 ，电压 源 将 对 滤波 电 容 C充 电， 充 电电流 很 大， 相当于 输 入 输 出 被 短 路， 以至 于 开关管 VT所 受 的电流 应力 大大 增 加而 损坏 。 为了 限 制开关管 VT
18、导 通 时 的电流 应力 ， 可 将 缓冲电感 L串 入开关管 VT的 支 路 中 。电路 结 构 见 下 图 。 o u i u L R4开关管 VT关断 时 缓冲电感 L中 电流的 突 变 为 0， 将 感 应 出过电压，使开关管 VT的电压 应力 大大 增 加， 为 此需加入 续 流 二 极管 VD缓冲电感 释放 能量 提供 续 流 回 路。电路 结 构 见 下 图 。 o u i u L R2） boost型 DC-DC电压 变换 器 构 建 的 基 本思 路 1构 建 buck型 DC-DC电压 变换 器的 基 本 原 理 电路 输 入电流 源 I i 通过开关管 VT与 负 载 R
19、L相并 联 开关管 VT关断 时 ， 输 出电流 等 于 输 入电流， 即 i o I i开关管 VT导通 时 ， 输 出电流 等 于 零 ， 即 i o 0 输 出电流的 平均 值为 I o=（ 0 t on + I i t off ） /T = (1-D) I i , 由 于 1-D 1， I o I i该 电路 起 到 了 降流 变换 的 基 本 功 能 。电路 结 构 见 下 图 。 io i 2 boost型电流 变换 电路的 输 出电流 呈方波 脉 动， 为 抑 制 输 出电流 脉 动，需要在 基 本 原 理 电 路的 输 出 支 路 中 串 入 滤波 电感 L。电路 结 构 见
20、下 图 。 o i i i L R3由 于 I o I i ， 当 的开关管 VT断开 时 ，电感 L中 电流 发生 突 变 ， 将 感 应 出极 高 的电压， 以至 于 开关管 VT所 受 的电压 应力 大大 增 加而 损坏 。 为了 限 制开关管 VT关断 时 的电压 应力 ， 可 将 缓冲电 容 C并 入开关管 VT的两 端 。电路 结 构 见 下 图 。 o i i i L R4开关管 VT导通 时 缓冲电 容 两 端 电压 由 Uo突 变 为 0， 将 通过 VT迅速放 电， 放 电电流 很 大，使开关管 VT的电流 应力 大大 增 加， 为 此需加入 钳位 二 极管 VD，阻 止
21、缓冲电 容 放 电。 电路 结 构 见 下 图 。 o i VT L i i C VD L R5若 令 变换 器电路 中 的开关管 、 二 极管 、 电 容 、 电感 均 为 理 想无 损元 件 并考虑 变换 器 输 入 、 输 出 能量 的 不 变 性，得 ui i i u o i o ， 则 buck型电流 变换 器在 完 成 降流 变换 的 同 时也 完 成 了 升压 变换 。 boost型电压 变换 和 buck型电流 变换 存 在功 能 上的 对 偶 性。 由 buck型电流 变 换 器电路 可 以 导出 boost型电压 变换 器。 变换 器电路 中 开关管的开关 频 率 足够 高
22、时 ， buck型电流 变换 器电路 中 的 输 入电流 源 支 路 可 以 用 串 联 大电感的电压 源 支 路 取代 。电路 结 构 见 下 图 。 L R o i i u i i o u考虑 到上 述 电路 中 缓冲电 容 C的 稳 压作用 以 及 该 电路的电压 电压 变换 功 能 ， 输 出 滤波 电 感 L是 冗余 元 件， 可 以 省略 。缓冲电 容 的作用 变换 为 输 出 滤波 。电路 结 构 见 下 图 。 L R o i i u i i o u i3） boost-buck型 DC-DC电压 变换 器 构 建 的 基 本思 路 将 boost型 、 buck型 变换 器电
23、路 相 互 串 联 并 进行 适 当 化简 ， 即 可 构 建 boost-buck型 变换 器。 boost-buck型 DC-DC电压 变换 器 构 建 的 方 法 ： 1输 入 级 采 用 boost型电压 变换 器电路， 并将其 输 出 负 载 省略 。 输 出 级 则 采 用 buck型电压 变换 器电路， 并将其 输 入电压 源 省略 。 串 联 boost型电压 变换 器电路的 输 出 与 buck型电压 变换 器电路的 输 入。 2若 假设 两电路 串 联 后 的开关管 VT 1 、 VT 2 为 同 步 斩 波 开关管， 省略冗余 元 件。 根 据 开关管 VT 1 、 VT
24、 2 导通 时 ， 所构成 的两个 独 立 的电流 回 路 拓扑 ， 合并 VT 1 、 VT 2 为 VT 12 ，得到 一 个 等 效电路。 根 据 开关管 VT 1 、 VT 2 关断 时 ， 所构成 的两个 独 立 的电流 回 路 拓扑 ， 合并 VD 1 、 VD 2 合 并为 VD 12 ，得到 另 一 个 等 效电路。 使上 述 两个 变换 器 等 效电路的 输 入 输 出具有 公 共 电 位参 考 点 得到 boost-buck型 DC-DC 电压 变换 器。 o u L R i u o u4） buck-boost型 DC-DC电压 变换 器 构 建 的 基 本思 路 将 b
25、uck型 、 boost型 变换 器电路 相 互 串 联 并 进行 适 当 化简 ， 即 可 构 建 buck-boost型 变换 器。 buck-boost型 DC-DC电压 变换 器 构 建 的 方 法 ： 1输 入 级 采 用 buck型电压 变换 器电路， 并将其 输 出 负 载 省略 。 输 出 级 则 采 用 boost型电压 变换 器电路， 并将其 输 入电压 源 省略 。 串 联 buck型电压 变换 器电路的 输 出 与 boost型电压 变换 器电路的 输 入。 2若 假设 两电路 串 联 后 的开关管 VT1、 VT2为 同 步 斩 波 开关管， 省略冗余 元 件。 将
26、VT1、 VT2之 间 的 T型 储 能 网络 中 的电 容 省略 ， 并合并 L1、 L2为 L12， 合并后 的 VT1、 VT2之 间 的 储 能 电感 L12仍 能 使 串 联 后 的两 级 电压 变换 器电路正常工作。 根 据 开关管 VT1、 VT2导通 时 ， 所构成 的两个 独 立 的电流 回 路 拓扑 ， 合并 VT1、 VT2 为 VT12，得到 一 个 等 效电路。 根 据 开关管 VT1、 VT2关断 时 ， 所构成 的两个 独 立 的电流 回 路 拓扑 ， 合并 VD1、 VD2 合并为 VD12，得到 另 一 个 等 效电路。 使上 述 两个 变换 器 等 效电路的
27、 输 入 输 出具有 公 共 电 位参 考 点 得到 buck-boost型 DC-DC 电压 变换 器。 Ui R VD C L VT Uo3.2 试比较 脉 冲 宽 度 调制 PWM和 脉 冲 频 率 调制 PFM。 答： 脉 冲 宽 度 调制 （ PWM）： 指开关管调制 信号 的 周期固 定不 变 ，而开关管导通 信号 的 宽 度 可 调； 脉 冲 频 率调制 （ PFM） ： 指开关管导通 信号 的 宽 度 固 定不 变 ，而开关管调制 信号 的 频 率 可 调。 相 同 点 ： 脉 冲 宽 度 调制 （ PWM） 和 脉 冲 频 率调制 （ PFM） 都可 以 调 节占 空比 D(
28、D=ton/T)， 从而 改 变 电 力 电子 变换 器 输 出电压 U o 的大 小 。 不 同 点 ： 脉 冲 频 率调制 （ PFM） 开关管调制 信号 的 频 率是 变 化 的， 该 控制 方 式 下的 变换 器 输 出 纹 波 大， 输 出 谐 波频 谱宽 ， 滤波 实现较 脉 冲 宽 度 调制 （ PWM） 困难 。 3.3电流断 续对 DC/DC变 换 器电 路 的 分析 有何 影响 ？ 答： DC-DC变换 器出现缓冲 元 件 中 电流断 续 时 ， 一 个 周期 内 有 三 种 不 同 的 换 流状态，需 分 时间 段 分 析 ： 1在开关管 VT关断 期 间 ， 续 流 二
29、 极管的 续 流过 程 结 束 （ 缓冲 元 件 中 电流降 为 0） 后 ， 其 两 端 电压 不为 零 。从而使 各 变换 器电流断 续 工作 模式 对 应 的 稳 态电压 增 益 G v 相 对 于 电流 连续 模式 对 应 的 稳 态电压 增 益 G v 有 所 抬 高 。 并且 电流断 续 工作 模式 对 应 的 稳 态电压 增 益 G v ， 不 仅 与 占 空比 D有关 还 与 负 载电阻 RL、 缓冲电感 L、 开关 频 率 f s 有关， 已 与 占 空比 D不 成 线 性关 系 。 由 变换 器 输 入 输 出功率 平衡 关 系推 出的 稳 态电流 增 益 G i =1/G
30、 v ， 也不 仅 与 占 空比 D有关 还 与 负 载电阻 RL、 缓冲电感 L、 开关 频 率 f s 有关， 与 占 空比 D不 成 线 性关 系 。 2开关管 VT关断 期 间承受 的反压 应 分 为 ： 二 极管 续 流 中 和 二 极管 续 流 结 束 两个 时间 段 来 分 析 ， 对 应 的两个反压 值不 同 。 3二 极管 不 仅 在开关管 VT导通 时承受 反压，在 续 流 结 束 后 亦 要 承受 一 定 的反压， 且 两个反 压 值不 同 。 3.4试 分析 理 想 的 buck变 换 器在电 感 电流 连续 和断 续 的 情况下 ，稳态电压 增益 与 什么因 素 有
31、关？ 答： 理 想 buck变换 器在电感电流 连续 的 情况 下 稳 态电压 增 益 为 G V 。 对 电感 L利 用 伏秒 平衡 特 性有： (U i -U o ) t on =U o (T s -t on ) 。 oon V is Ut GD UT = ，仅与占 空比 D有关 理 想 buck变换 器在电感电流断 续 的 情况 下 稳 态电压 增 益 为 G V 。 令 buck变换 器 中 的 二 极管 续 流 时间为 t off1二 极管 续 流 占 空比 D 1 = t off1 / T s ， 则 在 i L 0的 时间 段 对 电感 L利 用 伏秒 平衡 特 性有： (U i
32、 -U o ) t on =U o t off。 1 1 off on on i o t t t D D D U U G V + = + = =(1) 与 导通 占 空比 D已 不 是 线 性关 系 。 开关管 VT导通 时间 段 （ t on 时间 段 ） 的电流 增量 i L 与 二 极管 VD续 流 时间 段 （ t off1 时 间 段 ） 的电流 增量 i L -相 等 且 等 于 电感电流 最 大 值 I Lmax。 Lmax s 1 o L s o i L I T D L U i DT L U U i = = D = - = D - +(2) 稳 态 条 件下， 由 于 电 容
33、C中 的 平均 电流 为 零 ，因此，电感电流断 续 时 的电感 平均 电流 I L 等 于 负 载 平均 电流 I o ， 即 I L I o。 R U D L U I D I t t T I L off on S L o s o i 1 o Lmax 1 max 1 T U D D 2 1 I D ( 2 1 ) ( 2 1 1 = - + = = + = + = ） （ ）(3) 由（ 1）（ 2 ）（ 3 ） 可 得 s o o Lf U I D 2 4 1 1 2G 2 v + + = 电感电流断 续 的 情况 下 G v 不 仅 与 占 空比 D有关， 还 与 电感 L、负 载电流
34、 I o 、 开关 频 率 f s 、 以 及 输 出电压 U o 有关。 3.5 如题 3.5图所示 为理 想 Buck变 换 器， 已知： U d =100V， 开关频 率为 20kHz， 占空 比为 D=0.6，电 阻 为 R，电 感 为 L，电 容 为 C。试 计算 在电流 连续状 态 下 的 ： （ 1）输 出电压； （ 2） 电感电流的 最 大 值 和 最小值 ； （ 3） 开关管和 二 极管的 最 大电流； （ 4） 开关管和 二 极管 承受 的 最 大电压。 o i o u d i L u c i L i解 ：在电流 连续 状态下 （ 1）输 出电压 0.610060 oid
35、UDUDUV = （2 ） 5 3 1 510 2010 s Ts - = 55 0.6510310 ons tDTs - =o o U I R = 稳 态电流 脉 动 VT导通 时 on o i L t L U U i - = D + ； VT关断 时 ) ( on s o L t T L U i - = D - ； on o i o L o L t L U U R U i I I 2 2 1 max - + = D + = +) ( 2 2 1 min on s o o L o L t T L U R U i I I - - = D - = -已知 U o =60V , U i =U d
36、=100V代 入上 述 表 达 式 得 4 5 max 601006060610 310 2 L I RLRL - - - =+=+ 4 55 min 606060610 (510310) 2 L I RLRL - - =-=- 题 3.5图 （ 3）由 于 电流 连续 ，开关管和 二 极管的 最 大电流 均 为 电感电流 最 大 值 ， 为 4 maxmaxmax 60610 SDL III RL - =+ （4 ） 开关管和 二 极管 承受 的 最 大电压 均 为 变换 器 输 入电压 maxmax 100 SDi UUUV = 3.6 Buck变 换 器中的 开关 管 具 有的 最 小有
37、 效 导通时间是 40 s， 直 流电 源额定 值 是 300V， 斩 波频 率为 1kHz， 最 小 输 出电压是 多少 ？ 当 该 变流器 与 电 阻 负 载 R=2 相 连接 时， 平均输 入 电流是 多少 ？ 解 ：（ 1） 3 3 1 110 110 s Ts - = 6 min 4010 on ts - = 6 min min 3 4010 0.04 110 on s t D T - - = 最小 输 出电压 minmin 0.0430012 oi UDUV = （2 ） 平均 输 出电流 12 6 2 o o U IA R = 根据理想 变换 器 输 入 输 出功率 平衡 原 理
38、 iioo UIUI = 平均 输 入电流 0.0460.24 io IDIA = 3.7 Boost变 换 器中， 输 入 电压在 1830V之 间变化， 若 要 求 输 出电压 固定 在 48V， 假定工作 在 连续 导通 状 态 下 ， 求 ： （ 1） 占 空比 范围 ； （ 2） 连 接 R=3 的电阻 负 载 时 的 输 入电流和 输 出电流的 平均 值 。 解 ：（ 1） Boost变换 器 输 出电压 1 1 oi UU D = -从而得到 1 i o U D U =- 已知 48 o UV = 当 min 18 ii UUV =时有占 空比最 大 值 min max 18 1
39、10.625 48 i o U D U =-=-= 当 max 30 ii UUV =时有占 空比最小值 max min 30 110.375 48 i o U D U =-=-= 占 空比 范围 0.3750.625 （ 2）输 出电流 平均 值 48 16 3 o o U IA R = 根 据 理 想 变换 器 输 入 输 出功率 平衡 原 理 iioo UIUI = ，得 平均 输 入电流 oo i i UI I U = 当 min 18 ii UUV =时有最大 平均 输 入电流 max min 4816 42.67 18 oo i i UI IA U = 当 max 30 ii UU
40、V =时有 最小 平均 输 入电流 min max 4816 25.6 30 oo i i UI IA U = 3.8简 述 伏秒平衡 和 安秒平衡 原 则 ， 并分 别 用 两 种方 法 分析 cuk变 换 器的 输 出 /输 入关 系 答： (1) 电感电压的 伏秒 平衡 特 性 稳 态 条 件下， 理 想 开关 变换 器 中 的电感电压 必 然周期 性 重 复 ， 由 于 每 个开关 周期 中 电感 的 储 能为 零 ， 并且 电感电流保 持 恒 定 ，因此， 每 个开关 周期 中 电感电压 u L 的 积 分 恒 为 零 ， 即 ： 0 dt dt dt 0 0 = + = Ts t
41、L t L Ts L on on u u u电 容 电流的 安 秒 平衡 特 性 稳 态 条 件下， 理 想 开关 变换 器 中 的电 容 电流 必 然周期 性 重 复 ，而 每 个开关 周期 中 电 容 的 储 能为 零 ， 并且 电 容 电压保 持 恒 定 ，因此， 每 个开关 周期 中 电 容 电流 i C 的 积 分 恒 为 零 ， 即 ： + = Ts t t Ts on on i i i dt dt dt c 0 c 0 c = 0 (2) cuk变换 器电感电流 连续 时 ： 1对 电感 L 1 、 L 2 分 别 利 用 伏秒 平衡 特 性 进行 分 析 有 ( ) off i
42、 c on t U U t - = 1 i U( ) ( s o on c1 o T T U t U U - - = - ton) 得到 稳 态电压 增 益 1 oon v ison Ut D G UTtD = -2对 电 容 C利 用 安 秒 平衡 特 性 进行 分 析 有 () oonison ItITt =-根据理想 变换 器 输 入 输 出功率 平衡 原 理 得到 稳 态电压 增 益 1 1 ion v ioson It D G GITtD = -当 1/2 D 1时 ， 即 cuk变换 器的 稳 态电压 增 益 G V 1， 则 cuk变换 器具有升压 特 性；而 当 0 D 1/2
43、时 ， 即 cuk变换 器的 稳 态电压 增 益 G V 1， 则 cuk变换 器具有降压 特 性。因此， cuk变换 器是升 、 降压 变换 器， 并且其 输 入 、 输 出电压具有 相 反的极性 (3) cuk变换 器电感电流断 续 时 1对 电感 L1、 L2分 别 利 用 伏秒 平衡 特 性 进行 分 析 有 ( ) ( ) 1 1 i U off i c on t U U t - =( ) 1 1 off o on c o t U t U U - = -其中 cuk变换 器 中 的 二 极管 续 流 时间为 1 off t 得到 稳 态电压 增 益 o i1 V U D G UD =
44、 2 对电容C 利用安秒 平衡 特 性 进行 分 析 有 1 oonioff ItIt =根 据 理 想 变换 器 输 入 输 出功率 平衡 原 理 得到 稳 态电压 增 益 11 1 ion v iooff It D G GItD = 3.9试 分析 在 直 流 斩 波 电 路 中 储 能 元 件 （ 电 感 电 容） 的 作 用 ，试 以 Cuk电 路 为 例 分析 。 答： 直 流 斩 波 电路 中 的 储 能 元 件 （ 电 容 、 电感 ） 有 滤波 与 能量 缓冲， 能量 传递 三 种 基 本 功 能 。 一 般 而 言 ， 滤波 元 件常 设 置 在 变换 器电路的 输 入或 输
45、 出，而 能量 缓冲 元 件常 设 置 在 变换 器电 路的 中间 。 以 Cuk电路 为 例 o u L R i u o uL 1 、 L 2 为能量 缓冲 元 件； C 1 为 传递 能量 的 耦 合 元 件； C 2 为 输 出 滤波 元 件。 3.10试 分析 Buck-Boost变 换 器和 Boost-Buck变 换 器 各 有何特 点 。 Ui R VD C L VT UoBuck-Boost变换 器 o u L R i u o uBoost-Buck变换 器 答： 1 Buck-Boost型电压 变换 器和 Boost-Buck型电压 变换 器两 者 的 输 入 输 出电压极性
46、 均 为 反向 极性； 2 Buck-Boost型电压 变换 器电路 结 构 简 单 ， 储 能 元 件较少， 为 一 个电感， 一 个电 容 ； Boost-Buck型电压 变换 器电路 结 构 较 复杂 ， 储 能 元 件较 多 ， 为 两个电感，两个电 容 ； 3 Buck-Boost型电压 变换 器的 输 入和 二 极管 输 出电流 均 为 断 续 的 脉 动电流； Boost-Buck型电压 变换 器的 输 入 输 出 均 有电感，因此 变换 器的 输 入 输 出电流 一 般 情况 下 均 为 连续 电流 （ 轻 载 时 电流 可 能 断 续 ）， 滤波 易 实现。 3.11试 以
47、二 象 限 DC-DC变 换 器为 例具体 分析 电 路 中二极管的 作 用 。 答： 二象 限 DC-DC变换 器电路 中二 极管的作用 为 通过 续 流缓冲 负 载 无 功， 避免 负 载电感 中 电流 突 变 ，感 应 出过电压。 同 时二 极管 VD 1、 VD 2还 实现 了 开关管的 零 电压开通， 减 少 了 开通 损 耗，具 体 工作过 程如 下： VT 1 、 VT 2 采 用 互补 调制驱动； VT 1 导通 前 ， VD 1 导通 续 流 , 输 出电流 i O 反向 减小 ； i O=0 ， VT 1 零 电压开通， 直 流 侧 电 源 通过 VT 1 向 负 载 供
48、电， 输 出电压 u o u i ， 输 出电 流 i o 正向 增 大， 负 载电感 储 能增 加； VT 1 关断， 由 于 负 载电感电流 不能 突 变 ， VD 2 导通 续 流， 输 出电压 u o 0。 采 用 互补 调 制驱动 模式 使 VT2有驱动 信号 ， 但 因 VD 2 导通 对 VT 2形成 了 反压 钳位 ,VT 2 不能 导通，因此 输 出电流 i O 正向 减小 ， 负 载电感 储 能 储 能减 少； i O=0， VD 2关断， VT 2零 电压开通， 负 载电动 势 通过 VT 2 向 负 载电阻和电感 供 电， 输 出电压 u o 0， 输 出电流 i o
49、反向 增 加， 负 载电感 储 能增 加； VT 2 关断， 由 于 电感电流 不能 突 变 ， VD 1 导通 续 流， 输 出电压 u o u i 。 采 用 互补 调制驱动 模式 使 VT 1 有驱动 信号 ， 但 因 VD 1 导通 对 VT 1 形成 了 反压 钳位 ,VT 1 不能 导通， 输 出电流 i O 反向 减小 ， 负 载电感 储 能 储 能减 少。 3.12 二 象 限 和 四 象 限 DC-DC变 换 器有何 区别 ？ 驱动 直 流电动 机 正反转 运行 应 采 用 何 种 DC-DC变 换 器 ？ 答： 二象 限 DC-DC变换 器 输 出电压极性 不 变 ， 输 出电流极性 可变 ； 四 象 限 DC-DC变换 器 输 出电压， 输 出电流极性 均可变 ；两 种 变换 器 能 实现 能量 的 双 向 传 输 。 驱动 直
