电力电子学课后题答案第三章通信电子电信技术通信电子电信技术.pdf
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1、第 3 章 复习题及思考题解答 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 匚、脉宽角度为、周期为TS、幅值为V的方波脉冲电压Vo(t)的直流平均值及各次谐波 的幅值。M 1-肚-L_ 1 1 1 1 f 1+ll 卑!O 7 1 1 1 1 I 1 I 1 1 1 1 1 -1 r O 2 1 代 r 图 3.1 Buck 变换器电路结构及降压 答:占空比D是开关管导通时间Ton与开关周期TS的比值。图 3.1(c)中方波脉冲电压vO(t)可以表示为如下傅里叶表达式:VO(t)DVS Vssin(nD u)cos(n t),其中常数项为直流平均值,
2、即VO DVS,各 n 1 n n 余弦项为各次谐波,其幅值为:an 3 4 5 sin(n)S sin(nD n。n n 2 n n 2.脉冲宽度调制 PWM 和脉冲频率调制 PFM 的优缺点是什么?答:脉冲宽度调制方式 PWM 保持TS不变(开关频率不变),改变Ton调控输出电压V0;脉冲频率调制方式 PFM 保持Ton不变,改变开关频率或周期调控输出电压 V0。实际应用中广泛采用 PWM 方式。因为采用定频 PWMf 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
3、谐振过程的完成,采用 PFM 控制较容易实现。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。答:电感电流的脉动量与电感量 L、开关频率fS、输入电压VS、输出电压VO有关,输 出电压的脉动量与电感量 L、电容量C、开关频率fS、输出电压VO有关。电感量L、电容 量C越大其滤波效果越好,而开关频率 fs越高,滤波电感的交流阻抗 L就越大,它对直 流电压的阻抗基本为 0,同时滤波电容的交流阻抗 1/C 越小。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。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
4、与负载电流IO 的大小、电感L、开关频率fS以及电压VO等有关。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|L 0,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?答:电路处于稳态时,在一个开关周期内电感电流的增量 增量 0,因为如果一个周期内电感的磁通增量 也即电感上的能量不断累积,最终将达到饱和,关周期内电感L的磁通增量 0。电容C的电流平均值为 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
5、V。、电流IO 一定时增大电感量 L和提高开关频率 fs都可以避免电感电流断流。7.开关电路实现直流升压变换的基本原理是什么?答:为了获得高于电源电压 Vs的直流输出电压V。,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 eL(在电感电流减 小时,e Ldb/dt为正值),将此电感反电势 eL与电 源电压Vs串联相加送至负载,则负载就可获得高于电源电压 流升压变换。8.Boost 变换器为什么不宜在占空比 D接近 1 的情况下工作?答:因为在 Boost 变换器中,开关管导通时,电源与负载脱离,其能
6、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 M VO/VS 1/(1 D)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。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?答:Cuk 变换器在一个开关周期中,Ton期间,令开关管
7、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 G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 Toff期间,开关管 T 阻断,电感L1电流经电 容G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。IL 0,同时电感L的磁通 0,那么电感上的磁通将无法复位,甚至烧毁电感,所以稳态工作时应使一个开 0,那么电容C端电压的增量 即电容上电荷增量 Buck 变 中电流 连续是 意思?也为 0
8、,因为稳态时一个周期内电容上的充电电荷等于放电电荷,当负载电压V。、电流I。一定时在什么条件下可以避免电感电流断流 Vs的直流电压V。,从而实现直 为幅值为的方波脉冲电压的直流平均值及各次谐波的幅值肚卑代图变换器电路结构及降压答占空比是开关管导通时间与开关周期的比值图中方波脉冲电压可以表示为如下傅里叶表达式其中常数项为直流平均值即各余弦项为各次谐波电压脉冲频率调制方式保持不变改变开关频率或周期调控输出电压实际应用中广泛采用方式因为采用定频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控制系统获得可变脉宽信号比获得可变脉动和输出电压的脉动与哪些因数有关试从物理上给以
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