第5章直流-直流变换电路习题
第5章 直流-直流变换电路
5.2.5 全桥式直流斩波电路
u UN
5.3、变压器隔离的直流-直流变换器 、变压器隔离的直流 直流变换器
输入输出间实现电隔离：在基本 变换电路中加入变压器。 输入输出间实现电隔离：在基本DC-DC变换电路中加入变压器。 变换电路中加入变压器 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。
5.1.2 直流斩波器的分类
按变换电路的功能分类有
1）降压式直流-直流变换 降压式直流2）升压式直流-直流变换 升压式直流3）升压-降压复合型直流-直流变换 升压-降压复合型直流4）库克直流-直流变换 库克直流5）全桥式直流-直流变换 全桥式直流-
5.2、直流斩波器 、
5.2.1 降压式直流斩波电路
I 2 t on = I 1 t off
∫ i dt = 0
0 C
T
电源输出的电能EI 等于负载上得到的电能U 电源输出的电能 1等于负载上得到的电能 0I2，即 由此可以得出输出电压U 与输人电压E的关系为 的关系为： 由此可以得出输出电压 0与输人电压 的关系为：
EI1 = U 0 I 2
t on t on I1 D U0 = E = E= E= E I2 t off 1− D T − t on
∫
ton
u L dt = 0
即：（E-U0）ton=U0（T-ton） ：（
U
0
t on = E = D E T
5.2.2 升压式直流斩波电路
uL
第五章直流交流(DCAC)变换.
第五章直流—交流（DC—AC）变换5.1 逆变电路概述5.1.1 晶闸管逆变电路的换流问题DC—AC变换原理可用图5-1所示单相逆变电路来说明，其中晶闸管元件VT1、VT4，VT2、VT3成对导通。
当VT1、VT4导通时，直流电源E通过VT1、VT4向负载送出电流，形成输出电压左（+）、右（-），如图5-1（a）所示。
当VT2、VT3导通时，设法将VT1、VT4关断，实现负载电流从VT1、VT4向VT2、VT3的转移，即换流。
换流完成后，由VT2、VT3向负载输出电流，形成左（-）、右（+）的输出电压，如图5-1（b）所示。
这两对晶闸管轮流切换导通，则负载上便可得到交流电压，如图5-1（c）波形所示。
控制两对晶闸管的切换导通频率就可调节输出交流频率，改变直流电压E的大小就可调节输出电压幅值。
输出电流的波形、相位则决定于交流负载的性质。
图5-1 DC—AC变换原理要使逆变电路稳定工作，必须解决导通晶闸管的关断问题，即换流问题。
晶闸管为半控器件，在承受正向电压条件下只要门极施加正向触发脉冲即可导通。
但导通后门极失去控制作用，只有使阳极电流衰减至维持电流以下才能关断。
常用的晶闸管换流方法有：（1）电网换流（2）负载谐振式换流（3）强迫换流5.1.2 逆变电路的类型逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们与外电路间必然有能量的交换，这就是无功。
由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。
在交—直—交变频电路中，直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提供无功功率的重要作用。
根据直流输入储能元件类型的不同，逆变电路可分为两种类型：图5-4 电压源型逆变器图5-5 无功二极管的作用1．电压源型逆变器电压源型逆变器是采用电容作储能元件，图5-4为一单相桥式电压源型逆变器原理图。
电压源型逆变器有如下特点：1）直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变器低阻抗的电源内阻特性（电压源特性），即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。
直流直流变流电路
6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、 升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路。 复合斩波电路——不同构造基本斩波电路组合。 多相多重斩波电路——相同构造基本斩波电路组合。
2
5.1 基本斩波电路
降压斩波电路 升压斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路
a） 电路图
b） 等效电路
24
升降压斩波电路和Cuk斩波电路
数量关系
同理：
T
0 iC d t 0
（5-45）
V处于通态旳时间ton，则电容电流和时间旳乘积为I2ton。
V处于断态旳时间toff，则电容电流和时间旳乘积为I1 toff。
由此可得： I 2ton I1toff
第3种工作方式：一种周期内交替地作为降压斩波电路和升压
斩波电路工作。
当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一种斩波电路工作， 让电流反方向流过，这么电动机电枢回路总有电流流过。
电路响应不久。
30
5.2.2 桥式可逆斩波电路
桥式可逆斩波电路——两个电流可逆斩波电路组合
起来，分别向电动机提供正向和反向电压。 使V4保持通时，等效为图5-7a所示旳电流可逆斩波电 路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。 使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流 可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工 作于第3、4象限 。
结论
当0<a <1/2时为降压，当1/2<a <1时为升压，故称作升
降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。
图旳5平-4均b中值给分出别了为电I1和源I2电，流当i1电和流负脉载动电足流够i2旳小波时形，，有设：两者
第5章 习题(1)-带答案
第3章直流-直流变换电路习题（1）第1部分：填空题1.直流斩波电路完成的是直流到另一固定电压或可调电压的直流电的变换。
2.直流斩波电路中最基本的两种电路是降压斩波电路和升压斩波电路。
3.斩波电路有三种控制方式：脉冲宽度调制、脉冲频率调制和混合型，其中最常用的控制方式是：脉冲宽度调制。
4.脉冲宽度调制的方法是：周期不变，导通时间变化，即通过导通占空比的改变来改变变压比，控制输出电压。
5.脉冲频率调制的方法是:导通时间不变，周期变化，导通比也能发生变化，从而达到改变输出电压的目的。
该方法的缺点是：导通占空比的变化范围有限。
输出电压、输出电流中的谐波频率不固定，不利于滤波器的设计。
6.降压斩波电路中通常串接较大电感，其目的是使负载电流连续。
7.升压斩波电路使电压升高的原因：电感L储能使电压泵升，电容C可将输出电电压保持住。
8.升压斩波电路的典型应用有直流电动机传动和单相功率因数校正等。
9.升降压斩波电路和Cuk斩波电路呈现升压状态的条件是开关器件的导通占空比为 0.5<α<1 ；呈现降压状态的条件是开关器件的导通占空比为 0.5<α<1 。
第2部分：简答题1.画出降压斩波电路原理图并简述其工作原理。
(略，看书上)2.画出升压斩波电路原理图并简述其基本工作原理。
（略，看书上）第3部分：计算题1.在题图3-1所示的降压斩波电路中，已知E=100V，R=10Ω，L值极大，E M=20V，T=100μs,t on=50μs。
1）画出输出电压u o,输出电流i o,流过器件V的电流i V以及流过二极管VD的电流iVD2）计算输出电压平均值U o，输出电流平均值I o，器件V上的平均电流I，及二极管VD上V。
的平均电流IVD题图3-12.设计题图3-2所示的Buck变换器。
电源电压Vs=220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，开关频率20KHz。
要求输出电压V o=110V；1）L值和C值极大时，采用脉宽调制控制方式，求开关T的导通占空比及在1个开关周期中的导通时间。
电力电子技术课后习题答案(第2—5章)
第2章 整流电路2. 2图2-8为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路,问该变压器还有直流磁化问题吗?试说明:晶闸管承受的最大反向电压为22U 2;当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时一样。
答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有直流磁化问题。
因为单相全波可控整流电路变压器二次侧绕组中，在正负半周上下绕组中的电流方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不存在直流磁化的问题。
以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。
①以晶闸管VT2为例。
当VT1导通时，晶闸管VT2通过VT1与2个变压器二次绕组并联，所以VT2承受的最大电压为22U 2。
②当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角α一样时，对于电阻负载：(O~α)期间无晶闸管导通，输出电压为0；(α~π)期间,单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中VTl 、VT4导通，输出电压均与电源电压U 2相等；( π~απ+)期间均无晶闸管导通，输出电压为0；(απ+~2π)期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出电压等于－U 2。
对于电感负载： ( α~απ+)期间，单相全波电路中VTl 导通，单相全控桥电路中VTl 、VT4导通，输出电压均与电源电压U2相等； (απ+~2απ+)期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出波形等于-U2。
可见，两者的输出电压一样，加到同样的负载上时，那么输出电流也一样。
2.3.单相桥式全控整流电路，U 2=100V ，负载中R=20Ω，L 值极大，当α=︒30时，要求：①作出U d 、I d 、和I 2的波形；②求整流输出平均电压U d 、电流I d ，变压器二次电流有效值I 2；③考虑平安裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。
解：①Ud 、Id、和I2的波形如以下图：②输出平均电压Ud 、电流Id、变压器二次电流有效值I2分别为：Ud =0.9U2cosα=0.9×100×cos︒30＝77.97〔V〕Id＝Ud/R=77.97/2=38.99(A)I2=Id=38.99(A)③晶闸管承受的最大反向电压为：2U2=1002=141.4(V) -考虑平安裕量，晶闸管的额定电压为：UN=(2~3)×141.4=283~424(V)详细数值可按晶闸管产品系列参数选取。
第5章 直流-直流开关型变换器 习题答案
第5章 直流-直流开关型变换器 习题第1部分：简答题1.开关器件的导通占空比是如何定义的？直流－直流开关型变换器有哪几种控制方式，各有何特点？其中哪种控制方式最常用，为什么？答：导通占空比被定义为开关期间的导通时间占工作周期的比值，即 onst D T， 直流－直流开关型变换器有三种控制方式：1）脉冲宽度调制PWM ，特点为：周期不变，通过改变导通时间来调节占空比。
2）脉冲频率调制PFM ，特点为：导通时间不变，通过改变周期来调节占空比。
3）混合型调制，特点为：导通时间和周期均可改变，来调节占空比。
其中PWM 最常用，因为载波（开关）频率恒定，滤波器设计较容易，且有利于限制器件的开关损耗。
2.画出带LC 滤波的BUCK 电路结构图。
并回答下列问题：实用的BUCK 电路中为什么要采用低通滤波器？为什么要接入续流二极管？设计滤波器时，滤波器的转折频率应如何选取，为什么？答：带LC 滤波的BUCK 电路结构图如下：1）实用Buck 电路采用低通滤波器可以滤除高次谐波，使输出电压更接近直流。
2）续流二极管的作用是：当开关VT 断开时，构成续流回路，释放电感储能。
3）滤波器的转折频率fc 应远小于开关频率fs ，以滤除输出电压中的高次谐波。
3.画出BOOST电路结构图，并简述BOOST电路中二极管和电容的作用。
答：BOOST电路结构图如下：二极管的作用：规定电流方向，隔离输出电压。
电容的作用：在开关断开期间，保持负载电压。
4.简述稳态电路中电感和电容上电压、电流的特点，并分析其物理意义。
答：1）稳态时，电感上的电压在1个周期上平均值为零，即伏秒平衡。
物理意义是: 稳态时电感中磁通在1个周期内净变化量为零。
2)稳态时，电容上的电流在1个周期上平均值为零，即安秒平衡。
物理意义是：稳态时电容上电荷在1个周期内净变化量为零。
5.为什么BUCK电路可以看作是直流降压变压器，而BOOST电路可以看作是直流升压变压器？这种变换器与真正的变压器相比有何异同之处？答：1）因为在连续导通模式下，Buck和BOOST电路都可以通过调节占空比D,使变压比Uo/Ud在0～1和大于1的范围内连续调节，因此从变压角度看，可将它们视为直流降压变压器和升压变压器。
第5章 直流-直流变流电路
重庆理工大学
5-2
第5章 直流 直流变流电路 章 直流-直流变流电路
5.1 基本斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 本章小结
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5-3
5.1
基本斩波电路
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Sepic斩波电路和 斩波电路和Zeta斩波电路
间接直流变流电路
在直流变流电路中增加了交流环节。 在直流变流电路中增加了交流环节。 交流环节 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离， 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离 ， 因此也称为直—交 直电路 直电路。 因此也称为直 交—直电路。
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5-1
引言
直流斩波电路种类
6种基本斩波电路： 种基本斩波电路： 种基本斩波电路 降压斩波电路、升压斩波电路、 升降压斩波电路、 降压斩波电路、升压斩波电路、 升降压斩波电路、 Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和 斩波电路、 斩波电路和Zeta斩波电路。 斩波电路。 斩波电路 斩波电路和 斩波电路 复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。 不同结构基本斩波电路组合。 复合斩波电路 不同结构基本斩波电路组合 多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合 。 相同结构基本斩波电路组合 多相多重斩波电路 相同结构
a) 电路图
UGE
0
io
I1
0 b) 波形
图5-2 升压斩波电路及工组波形
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5-17
5.1.2 升压斩波电路
数量关系
通态的时间为t 此阶段L上积蓄的能量为 设V通态的时间为 on，此阶段 上积蓄的能量为 EI1ton 通态的时间为 ( 设V断态的时间为 off，则此期间电感L释放能量为Uo − E)I1toff 断态的时间为t 则此期间电感 释放能量为 断态的时间为 稳态时，一个周期T中 积蓄能量与释放能量相等 积蓄能量与释放能量相等： 稳态时，一个周期 中L积蓄能量与释放能量相等：
第5章直流-交流(DC-AC)变换1剖析
第5章 无源逆变电路
5.1 逆变器的性能指标与分类 5.2 逆变电路的工作原理 5.3 电压型逆变电路 5.4 电流型逆变电路 5.5 逆变器的SPWM控制技术
5.2.2
逆变电路的工作原理
1、主要功能: 将直流电逆变成某一频率R为逆变器的输出负载。 电当压开u关0=TU1、d；T4闭合，T2、T3断开时，逆变器输出
2、无源逆变：
1）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到 负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交 流电供给负载，
2）应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源 等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。
5.1.1 逆变器的性能指标
（1）谐波系数HF（Harmonic Factor）
其中， 为2输f s出电压角频率。
当 n=1时其基波分量的有效值为: (5.3.2)
U O1
2U d
2
0.45Ud
(5.3.3)
图5.3.1 电压型半桥逆变电路 及其电压电流波形
5.3.1 电压型单相半桥逆变电路
优点： 简单，使用器件少； 缺点： 1）交流电压幅值仅为Ud/2； 2）直流侧需分压电容器； 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要 接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输 出电压中的高次谐波。 应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；
① 非谐振式逆变电路 ② 谐振式逆变电路
5.1.3
逆变电路用途
逆变器的用途十分广泛：
• 1、可以做成变频变压电源（VVVF），主要用于交流 电动机调速。
2、可以做成恒频恒压电源（CVCF），其典型代表为 不间断电源（UPS）、航空机载电源、机车照明，通信等 辅助电源也要用CVCF电源。
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一、问答题
5-1、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（Cuk ）斩波电路。
降压斩波电路是输出电压的平均值低于输入电压的变换电路。
它主要用于直流稳压电源和直流电机的调速。
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的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，但输入端电流波纹小，输出直流电压平稳，降低了对滤波器的要求。
5-2、简述图3-1基本降压斩波电路的工作原理。
输出电压电流波形。
答：0=t 时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压E u =0，负载电流0i 按指数曲线上升。
1t t =时控制V 关断，二极管VD 续流，负载电压0u 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
通常串接较大电感L 使负载电流连续且脉动小。
5-3、根据下图简述升压斩波电路的基本工作原理。
（图中设：电感L 、与电容C 足够大）
输出电流波形
答：当V 处于通态时，电源E 向电感L 充电，设充电电流为i 1，L 值很大，i 1基本恒定，同时电容C 向负载供电，C 很大，使电容器电压u 0基本不变，设V 处于通态的时间为t on ，在t on 时间内，电感L 上积蓄的能量为EI 1t on ；
图3-2 基本升压斩波 图3-1基本降压斩波电路
当V 处于断态时，E 与L 同时向电容充电，并向负载R 提供能量。
设V 处于断态的时间为t off ，在t off 时间内L 释放的能量为（U 0-E ）I 1t off ，在一周期内L 积蓄的能量与释放的能量相等。
可求得： E t T U off
=0。
分析不难看出该斩波电路是升压斩波电路。
5-4、简述升降压斩波电路的基本工作原理。
答：升降压斩波电路的电路及输出电压电流波形如下图。
其工作原理为：V 通时，电源E 经V 向L 供电使其贮能，此时电流为i 1。
同时，C 维持输出电压恒定并向负载R 供电。
V 断时，L 的能量向负载释放，电流为i 2。
负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。
5-5、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 1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D 1导通，此时D 2反向截止，把能量储存到电感L 中，同时提供负载电流0I ；当开关管T 1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D 2导通（而此时D 1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：i DU N N U 1
20=。
反激变换器：当开关管V 1导通，输入电压U i 便加到变压器T 初级N 1上，变压器储存能量。
根据变压器对应端的极性，可得次级N 2中的感应电动势为下正上负，二极管VD 1截止，次级N 2中没有电流流过。
当V 1截止时，N 2中的感应电动势极性上正下负，二极管VD 1导通。
在V 1导通期间储存在变压器中的能量便通过二极管VD 1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i U D
D N N U -⋅=1120
5-6 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T 1和T 4导通，T 2和T 3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T 2和T 3导通，T 1和T 4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T 1、T 4导通期间(或T 2和T 3导通期间)，施加在初级绕组N 1上的电压约等于输入电压U i 。
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。
5-7、试比较Buck 电路与Boost 电路的异同。
答；相同点：Buck 电路和Boost 电路都以主控型电力电子器件（如GTO ，GTR ，P-MOSFET 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 电路在开关管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E 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。
5-8、试简述Buck-Boost 电路与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C 1，若使C 1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。
三、计算题
3-1、在Boost 升压斩波电路中，已知E =50V ，负载电阻R =20Ω，L 值和C 值极大，采用脉宽调制控制方式，当T =40µs ，t on =25µs 时，计算输出电压平均值U 0，输出电流平均值I 0。
解： V E t T U off 133502540400=⨯-==； A R U I 67.620
13300=== 3-2、在下图的Buck 降压斩波电路带电动机反电动势负载中，已知E =200V ，R =10Ω，L 值极大，E M =30V 。
采用脉宽调制控制方式，当T =50µs ，t on =20µs 时，计算输出电压平均值U 0，输出电流平均值I 0。
解：V E T t U on 8020050200=⨯==； A R E U I M 510
308000=-=-= 3-3、在Boost 变换电路中，已知E =50V ，L 值和C 值较大，R =20Ω，若采用脉宽调制方式，当T=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：E t t t U off off
on +=0＝V 1005020
40=⨯； 由于Ｌ和Ｃ的值都比较大，A R U I 52010000==≈∴ 3-4、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E =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E D
D U -=10－，则31105500=---=-=
E U U D （注意V U 50-=）
（2）V E D U 1510)31(1111C1=⨯-=⨯-=
（3）s DT t μ67.610501313on =⨯⨯==，s T D t μ34.131050132)1(3off =⨯⨯=-=-。