第3章 思考题与习题答案

第3章思考题与习题
3.1 开关器件的开关损耗大小同哪些因素有关？
答：开关损耗与开关的频率和变换电路的形态性能等因素有关。

3.2 试比较Buck电路和Boost电路的异同。

答；相同点：Buck电路和Boost电路多以主控型电力电子器件（如GTO，GTR，VDMOS 和IGBT等）作为开关器件，其开关频率高，变换效率也高。

不同点：Buck电路在T关断时，只有电感L储存的能量提供给负载，实现降压变换，且输入电流是脉动的。

而Boost电路在T处于通态时，电源U d向电感L充电，同时电容C 集结的能量提供给负载，而在T处于关断状态时，由L与电源E同时向负载提供能量，从而实现了升压，在连续工作状态下输入电流是连续的。

3.3 试简述Buck-Boost电路同Cuk电路的异同。

答：这两种电路都有升降压变换功能，其输出电压与输入电压极性相反，而且两种电路的输入、输出关系式完全相同，Buck-Boost电路是在关断期内电感L给滤波电容C补充能量，输出电流脉动很大，而Cuk电路中接入了传送能量的耦合电容C1，若使C1足够大，输入输出电流都是平滑的，有效的降低了纹波，降低了对滤波电路的要求。

3.4 试说明直流斩波器主要有哪几种电路结构？试分析它们各有什么特点？
答：直流斩波电路主要有降压斩波电路（Ｂuck），升压斩波电路（Ｂoost），升降压斩波电路（Ｂuck－Ｂoost）和库克（Ｃook）斩波电路。

降压斩波电路是：一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路。

它主要用于直流稳压电源和直流直流电机的调速。

升压斩波电路是：输出电压的平均值高于输入电压的变换电路，它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。

升降压变换电路是输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反。

主要用于要求输出与输入电压反向，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。

库克电路也属升降压型直流变换电路，但输入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对滤波器的要求。

3.5 试分析反激式和正激式变换器的工作原理。

答：正激变换器：当开关管T导通时，它在高频变压器初级绕组中储存能量，同时将能量传递到次级绕组，根据变压器对应端的感应电压极性，二极管D1导通，此时D2反向截止，把能量储存到电感L中，同时提供负载电流O I；当开关管T截止时，变压器次级绕组中的电压极性反转过来，使得续流二极管D2导通（而此时D1反向截止），储存在电感中的
能量继续提供电流给负载。

变换器的输出电压为：
d O
DU
N
N
U
1
2
反激变换器：当开关管T导通，输入电压U d便加到变压器TR初级N1上，变压器储存能量。

根据变压器对应端的极性，可得次级N2中的感应电动势为下正上负，二极管D截止，次级N2中没有电流流过。

当T截止时，N2中的感应电动势极性上正下负，二极管D导通。

在T导通期间储存在变压器中的能量便通过二极管D向负载释放。

在工作的过程中，变压器起储能电感的作用。

输出电压为
d O
U
D
D
N
N
U
-
⋅
=
1
1
2
3.6 试分析全桥式变换器的工作原理。

答：当u g1和u g4为高电平，u g2和u g3为低电平，开关管T1和T4导通，T2和T3关断时，变压器建立磁化电流并向负载传递能量；当u g1和u g4为低电平，u g2和u g3为高电平，开关管T2和T3导通，T1和T4关断，在此期间变压器建立反向磁化电流，也向负载传递能量，这时磁芯工作在B－H回线的另一侧。

在T1、T4导通期间(或T2和T3导通期间)，施加在初级绕组N P上的电压约等于输入电压U d。

与半桥电路相比，初级绕组上的电压增加了一倍，而每个开关管的耐压仍为输入电压。

3.7 有一开关频率为50kHz的Buck变换电路工作在电感电流连续的情况下，
L=0.05mH ，输入电压U d =15V ，输出电压U 0=10V
(1) 求占空比D 的大小； (2) 求电感中电流的峰-峰值ΔI ；
(3) 若允许输出电压的纹波ΔU 0/U 0=5%，求滤波电容C 的最小值。

解：（1）D U
U
d 10
=
，
667
.015
100==
=
d
U
U D
（2）
A
fL
D D U fLU
U U U I d d
O d
O L 333.110
05.01050)667.01(667.015)
1()
(3
3
=⨯⨯⨯-⨯=
-=
-=
∆-
(3)因为 2
2
)
)(1(2
f
t D U U
c -=
∆π
kHz f 50=
LC f c π
21=
则
2
2
)
)(
1(2
05.0f
f D c -=
π
)1(205.02
2
2
D f
f c -⨯=
π
66
.610
66.6)
1050(10
05.0805.0667
.01805.016
2
33
2
min =⨯=⨯⨯⨯⨯⨯-=
⨯-=
--F Lf
D C µF
3.8 图题3.8所示的电路工作在电感电流连续的情况下，器件T 的开关频率为100kHz ，电路输入电压为交流220V ，当R L 两端的电压为400V 时：
(1) 求占空比的大小；
(2) 当R L =40Ω时，求维持电感电流连续时的临界电感值； (3) 若允许输出电压纹波系数为0.01，求滤波电容C 的最小值。

题图3.8
解:（１）由题意可知：
D U
U
d
-=
10
U
U U
D d
--
=400
220
400-=
=0.45
（２）
10
2220
10
01.045.023
00⨯⨯⨯⨯=
-d
K
S U
I DT L ＝
＝H μ5.49
（其中
A
R
U
I K 10404000
0==
=
）
（３）C
R DT
U
U
L S
=
∆0
,
F
U
R U DT C L s μ25.1101
.04010
45.05
0=⨯⨯=
∆=
-
3.9 在Boost 变换电路中，已知U d =50V ，L 值和C 值较大，R=20Ω，若采用脉宽调制方式，当T s =40μs ，t on =20μs 时，计算输出电压平均值U 0和输出电流平均值I 0。

解：d
off
off
on U
t t t U
⋅+=
0＝V
D
U
d
1005
.0501==
-
由于Ｌ和Ｃ的值都比较大，
A
R
U
I 520
1000
0==
≈
∴
3.10 有一开关频率为50kHz 的库克变换电路，假设输出端电容足够大，使输出电压保持恒定，并且元件的功率损耗可忽略，若输入电压U d =10V ，输出电压U 0调节为5V 不变。

试求:
(1) 占空比；
(2) 电容器C 1两端的电压U c1； (3) 开关管的导通时间和关断时间。

解：(1) 因为
d
U
D
D U
-=10－
则
31
10
55=
---=
-=
d
O
O
U
U
U D (注意V U o
5-=)
(2)
V
U
D
U
d
C 15103
111111
=⨯-
=
-=
(3) s
DT t on μ67.610501313
=⨯⨯
=
=
s
T D t off μ34.1310
5013
2)1(3
=⨯⨯
=
-=-。