电力电子技术第四版课后题答案第三章

第3章 直流斩波电路

1．简述图3-1a所示的降压斩波电路工作原理。
答：降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让V导通一段时间ton，由电源E向L、R、M供电，在此期间，uo＝E。然后使V关断一段时间toff，此时电感L通过二极管VD向R和M供电，uo＝0。一个周期内的平均电压Uo＝ 。输出电压小于电源电压，起到降压的作用。

2．在图3-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10Ω，L值极大，EM=30V，T=50μs,ton=20μs,计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。
解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为
Uo= = =80(V)
输出电流平均值为
Io = = =5(A)

3．在图3-1a所示的降压斩波电路中，E=100V， L=1mH，R=0.5Ω，EM=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20μs，当ton=5μs时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。当ton=3μs时，重新进行上述计算。
解：由题目已知条件可得：
m= = =0.1
τ= = =0.002
当ton=5μs时，有
ρ= =0.01
??= =0.0025
由于
= =0.249>m
所以输出电流连续。
此时输出平均电压为
Uo = = =25(V)
输出平均电流为
Io = = =30(A)
输出电流的最大和最小值瞬时值分别为
Imax= = =30.19(A)
Imin= = =29.81(A)
当ton=3μs时，采用同样的方法可以得出：
αρ=0.0015
由于
= =0.149>m
所以输出电流仍然连续。
此时输出电压、电流的平均值以及输出电流最大、最小瞬时值分别为：
Uo = = =15(V)
Io = = =10(A)
Imax= =10.13(A)
Imin= =9.873(A)

4．简述图3-2a所示升压斩波电路的基本工作原理。
答：假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压为恒值Uo。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为 。当V处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L释放的能量为 。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：

化简得：

式中的 ，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

5．在图3-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20Ω，采用脉宽调制控制方式，当T=40μs，ton=25μs时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。
解：输出电压平均值为：
Uo = = =133.3(V)
输出电流平均值为：
Io = = =6.667(A)

6．试分别简述升降压斩波电路和Cuk斩波电路的基本原理，并比较其异同点。
答：升降压斩波电路的基本原理：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电

感L供电使其贮存能量，此时电流为i1，方向如图3-4中所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中贮存的能量向负载释放，电流为i2，方向如图3-4所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。
稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即

当V处于通态期间，uL = E；而当V处于断态期间，uL = - uo。于是：

所以输出电压为：

改变导通比?，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0Cuk斩波电路的基本原理：当V处于通态时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流。当V处于断态时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。该电路的等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换。
假设电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时。当开关S合到B点时，B点电压uB=0，A点电压uA= - uC；相反，当S合到A点时，uB= uC，uA=0。因此，B点电压uB的平均值为 （UC为电容电压uC的平均值），又因电感L1的电压平均值为零，所以 。另一方面，A点的电压平均值为 ，且L2的电压平均值为零，按图3-5b中输出电压Uo的极性，有 。于是可得出输出电压Uo与电源电压E的关系：

两个电路实现的功能是一致的，均可方便的实现升降压斩波。与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。

7．试绘制Speic斩波电路和Zeta斩波电路的原理图，并推导其输入输出关系。
解：Sepic电路的原理图如下：

Sepic斩波电路
在V导通ton期间，
uL1=E
uL2= uC1
在V关断toff期间
uL1＝E?uo?uC1
uL2= ?uo
当电路工作于稳态时，电感L1、L2的电压平均值均为零，则下面的式子成立
E ton + (E?uo?uC1) toff =0
uC1 ton?uo toff=0
由以上两式即可得出
Uo=
Zeta电路的原理图如下：

在V导通ton期间，
uL1= E
uL2= E???uC1?uo
在V关断toff期间
uL1＝ uC1
uL2= ?uo
当电路工作于稳态时，电感L1、L2的电压平均值均为零，则下面的式子成立
E ton + uC1 toff =0
(E?uo?uC1) ton?uo toff=0
由以上两式即可得出
Uo=

8．分析图3-7a所示的电流可逆斩波电路，并结合图3-7b的波形，绘制出各个阶段电流流通的路径并标明电流方向。
解：电流可逆斩波电路中，V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限；V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机

的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2象限。
图3-7b中，各阶段器件导通情况及电流路径等如下：
V1导通，电源向负载供电：

V1关断，VD1续流：

V2导通，L上蓄能：

V2关断，VD2导通，向电源回馈能量


9．对于图3-8所示的桥式可逆斩波电路，若需使电动机工作于反转电动状态，试分析此时电路的工作情况，并绘制相应的电流流通路径图，同时标明电流流向。
解：需使电动机工作于反转电动状态时，由V3和VD3构成的降压斩波电路工作，此时需要V2保持导通，与V3和VD3构成的降压斩波电路相配合。
当V3导通时，电源向M供电，使其反转电动，电流路径如下图：

当V3关断时，负载通过VD3续流，电流路径如下图：


10．多相多重斩波电路有何优点？
答：多相多重斩波电路因在电源与负载间接入了多个结构相同的基本斩波电路，使得输入电源电流和输出负载电流的脉动次数增加、脉动幅度减小，对输入和输出电流滤波更容易，滤波电感减小。
此外，多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波单元之间互为备用，总体可靠性提高。