电力电子第五章总结

第五章直流-直流变流电路直流-直流变流电路:将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。一、降压斩波电路1、电路结构2、工作原理3、数量关系判断电流断续的条件：m𝑒𝑎p−1𝑒𝑝−1𝐼10=(𝑒𝑎𝑝−1𝑒𝑝−1-m)𝐸𝑅𝐼20=(1−𝑒−𝑎𝑝1−𝑒−𝑝-m)𝐸𝑅I10、I20分别是负载电流瞬时值的最大值和最小值。p=𝑇𝜏m=𝐸𝐸𝑚4、控制方式二、升压斩波电路1、电路结构及工作原理2、数量关系三、升降压斩波电路1、电路结构及工作原理2、数量关系四、电流可逆斩波电路1、电路结构2、工作过程五、桥式可逆斩波电路课后习题答案5-1简述图5-la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。，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，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输出电压小于电源电压,起到降压的作用。5-2．在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10Ω，L值微大，E=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输出电流平均值为ontofft0onoffEtUt02020080()50ontUEVT5-3．在图5-la所示的降压斩波电路中，E=100V，L=lmH，R=0．5Ω，=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20μs，当=5μs时，计算输出电压平均值，输出电流平均值，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=3μs时，重新进行上述计算。解：由题目已知条件可得：当时，有由于所以输出电流连续。5-4．简述图5-2a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,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。设V处于通态的时间为，此阶段电感L上积蓄的能量为E。当V处于断态时E和己共同向电容C充电并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为，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T／1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。5-5．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，=25μs时，计算输出电压平均值，输出电流平均值。解：输出电压平均值为：输出电流平均值为：0080305()10MUEIARMEont0U0Iont101()onoffEItUEIt0.0010.0020.5LRston50.01t0.0025ont0.00250.01110.24911eemee1I0Uont1Iontofft0()UE1Iofft101()onoffEItUEIt0onoffoffoffttTUEEttofftont0U0I04050133.3()4025offTUEVt00133.36.667()20UIAR5-6．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，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两端电压对时间的积分为零，即当V处于通态期间，=E：而当V处于断态期间。于是：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0l／2时为降压，当l／2l时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。Cuk斩波电路的基本原理：当V处于通态时，E——V回路和R—-C—V回路分别流过电流。当V处于断态时，回路和R--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很大使电容电压的脉动足够小时。当开关S合到B点时，B点电压=0，A点电压；相反，当S合到A点时，，。因此，B点电压的平均值为(Uc为电容电压“c的平均值)，又因电感Ll的电压平均值为零，所以。另一方面，A点的电压平均值为，且的电压平均值为零，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。1iLu00TLudtLu0Luu0onoffEtUt1L2L1ELCVD2LcuBuACuuBCuu0Au103iNUUNBuoffBctuUToffBctEUUTonActUUT2L0onctUUT01ononoffonttUEEEtTt5-7．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：在V导通期间，左V关断期间当电路工作于稳态时，电感L、L的电压平均值均为零，则下面的式子成立由以上两式即可得出Zeta电路的原理图如下：在V导通期间在V关断期间当电路工作稳定时，电感、的电压平均值为零，则下面的式子成立由以上两式即可得出5-8．分析图5-7a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。ont1LUE21LCUUofft101LCuEuu20Luu01()0onCoffEtEuut100Conoffutut0onofftUEtont1LuE210LCuEuuofft11LCuu20Luu1L2L10onCoffEtut010()0ConoffEuutut0onofftUEt解：电流可逆斩波电路中，Vl和VDl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l象限：V2和构成升压斩波电路，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：导通，电源向负载供电：关断，VD，续流：也导通，L上蓄能:关断，导通，向电源回馈能量5-9对于图5-8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：2DV1V1V2V2V2DV5-10．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。5-11．试分析正激电路和反激电路中的开关和整流二极管在工作时承受的最大电压。解：正激电路和反激电路中的开关和整流二极管在工作时承受最大电压的情况如下表所示：开关S整流二极管VD正激电路(1+N1/N3)U1U1*N2/N3反激电路Ui+Uo*N1/N3Ui*N2/N1+Uo5-12．试分析全桥、半桥和推挽电路中的开关和整流二极管在工作中承受的最大电压，最大电流和平均电流。答：以下分析均以采用桥式整流电路为例。①全桥电路最大电压最大电流平均电流开关SUiId*N2/N1Id*N2/(2*N1)整流二极管Ui*N2/N1IdId/2②半桥电路最大电压最大电流平均电流开关SUiId*N2/N1Id*N2/(2*N1)整流二极管Ui*N2/(2*N1)IdId/2③推挽电路(变压器原边总匝数为2N1)最大电压最大电流平均电流开关S2*UiId*N2/N1Id*N2/(2*N1)整流二极管Ui*N2/N1IdId/25-13．全桥和半桥电路对驱动电路有什么要求?答：全桥电路需要四组驱动电路，由于有两个管子的发射极连在一起，可共用一个电源所以只需要三组电源；半桥电路需要两组驱动电路，两组电源。5-14．试分析全桥整流电路和全波整流电路中二极管承受的最大电压，最大电流和平均电流。解：两种电路中二极管承受最大电压：电流及平均电流的情况如下表所示：最大电压最大电流平均电流全桥整流UmIdId/2全波整流2UmIdId/25-15一台输出电压为5V、输出电流为20A的开关电源：①如果用全桥整流电路，并采用快恢复二极管，其整流电路中二极管的总损耗是多少？②如果采用全波整流电路，采用快恢复二极管、肖特基二极管整流电路中二极管的总损耗是多少？如果采用同步整流电路，整流元件的总损耗是多少？注：在计算中忽略开关损耗，典型元件参数见下表。元件类型型号电压(V)电流(A)通态压降（通态电阻）快恢复二极管25CPF10100250.98V肖特基二极管3530CPQ03530300.64VMOSFETIRFP04860700.018