共1页电力电子变流技术习题与思考题解第1页直流斩波

第七章直流斩波电路
习题与思考题解
7-1.DC/DC变换电路的主要形式和工作特点是什么？
解：.DC/DC变换器有两种主要的形式，一种是逆变整流型，另一种是斩波电路控制型。

逆变整流型是将直流电压逆变成一个固定的高频交流电压，将这个交流电压经变压器变为要求的交流电压，再整流成所需要的直流电压。

逆变电路一般采用恒压恒频控制，它适用于小功率的电源变换和变压比较大的变换中。

斩波电路控制型可选用多种脉冲调制方式做为控制输入，适用于不需要隔离的场合和升压、降压比不大的场合。

7-2.试述斩波电路的主要功能。

解：直流斩波电路是一种直流/直流（DC/DC）变换电路，其主要功能是通过控制直流电源的通和断，来实现对负载上的平均电压和功率进行控制，即所谓调压调功功能。

7-3.斩波电路常用的三种控制方式是什么？
解：斩波电路常用的三种控制方式是：
（1）时间比控制方式；（2）瞬时值控制方式；（3）时间比和瞬时值结合的控制方式。

7-4.试述斩波电路时间比控制方式中的三种控制模式。

解：斩波电路时间比控制方式中的三种控制模式为：
（1）定频调宽控制模式
定频就是指开关元件的开、关频率固定不变，也就是开、关周期T固定不变，调宽是指通过改变斩波电路的开关元件导通的时间T on来改变导通比K t值，从而改变输出电压的平均值。

（2）定宽调频控制模式
定宽就是斩波电路的开关元件的导通时间T on固定不变，调频是指用改变开关元件的开关周期T来改变导通比K t。

（3）调频调宽混合控制模式
这种方式是前两种控制方式的综合，是指在控制驱动的过程中，即改变开关周期T，又改变斩波电路导通时间T on的控制方式。

通常用于需要大幅度改变输出电压数值的场合.
7-5.试述降压型斩波电路的工作原理，如果电路中U d =100V ，K t =0.5，求输出电压值？ 解：降压型斩波电路的输出平均直流电压低于电源输入的直流电压，电路原理结构及工作波形参阅教材P117中的图7-8。

其中，V31为自关断开关元件功率晶体管，L 为电感，C 为电容，主要作用是滤波，二极管V21为续流二极管。

电路的工作过程可分为开关元件导通（模式1）和关断（模式2）两个过程。

开关元件导通（模式1）时，直流电源U d 通过电感L 向负载R 提供能量，电感L 储能，在电感L 中的电流i L 上升到负载电流I O 之前，电容器C 放电，以使负载电流I O 基本不变。

在i L 上升到负载电流I O 时，电容器C 开始充电。

开关元件关断（模式2）时，电感L 的储能通过负载R 和续流二极管V21进行续流，保持负载电流的连续。

在电感L 中的电流i L 下降到负载电流I O 之前，电容器C 继续充电。

在i L 下降到负载电流I O 时，电容器C 开始放电，以使负载电流I O 基本不变。

当电容器C 足够大时，电容器C 上的电压u c 基本不变。

可起稳定输出电压u O 的作用 输出电压 d t d on o U K U T
T U =⋅==0.5×100=50(V)
7-6.试述升压型斩波电路的工作原理。

解：升压型斩波电路输出平均直流电压可以比电源输入的直流电压高，电路原理结构及工作波形参阅教材P118中的图7-9。

其中，V31为自关断开关元件功率晶体管，L 为电感，C 为电容，二极管V21可防止电容C 通过电源放电。

电路的工作过程可分为开关元件导通（模式1）和关断（模式2）两个过程。

开关元件导通（模式1）时，电感L 储能，负载R 上的电压u o 和电流i o 由电容器C 上的电压u c 提供。

开关元件关断（模式2）时，直流电源U d 和电感L 储能向负载R 和电容器C 提供能量，电容器C 充电。

因此，可达到输出平均直流电压高于电源输入的直流电压。

输出电压平均值U o 为
t
d on d o K U T T T U U -=-⋅=1 其中，T on 为导通时间，T 为开关周期，K t 为导通比。

7-7.试述晶闸管器件的关断方法及工作过程。

解：在直流斩波电路中，由于主开关晶闸管始终承受直流电源的正向电压，因此，导通后不能自关断，所以，必须增设辅助关断电路，即强迫换流电路。

例如，L C自由振荡辅助关断电路和辅助晶闸管关断电路，它们都是利用主晶闸管开通后，通过L C自由振荡向电容Ｃ储能，使电容C上的电压u c的极性，在晶闸管需要关断时为反向电压，进而达到用电容C上的电压u c关断晶闸管目的。

7-8.定频调宽和定宽调频控制方式的区别是什么？对输出滤波电路有何要求？
解：（1）定频调宽控制方式，开关元件的开、关频率（周期）固定不变，通过改变斩波电路的开关元件导通的时间T on来改变导通比K t值，从而改变输出电压的平均值。

由于这种控制方式的开关频率固定不变，故输出电压的频率也是固定的，因而电路中的高次谐波滤出比较容易实现，是一种使用较普遍的电路之一。

（2）定宽调频控制方式，开关元件的导通时间T on固定不变，用改变开关元件的开关周期T来改变导通比K t，达到改变输出电压的平均值。

由于开关周期T随输出电压的不同要求而改变，所以，斩波电路输出电压的频率也要同时发生变化，因此，滤波器设计要以电路中出现的最低次谐波为准。

7-9.降压型斩波电路和升压型斩波电路的电容、电感、二极管各起什么作用？
解：降压型斩波电路中，电感L和电容C的主要作用是滤波，同时电感L的储能将保持负载电流的连续，电容C可稳定输出电压U O。

二极管为主开关管关断时的负载电流续流二极管。

升压型斩波电路中，电感L为开关管开通（模式1）时的储能元件，电容C为开关管关断（模式2）时的储能元件。

二极管为两种模式转换过程中的隔离开关元件，开关管开通（模式1）时二极管关断，开关管关断（模式2）时二极管开通。

7-10.试述二种晶闸管斩波电路的工作过程。

解：1. 脉宽固定晶闸管斩波电路的工作过程分三个阶段：
(1)晶闸管导通阶段
t1触发晶闸管导通，向负载提供电流，同时L1C回路通过晶闸管自由振荡，经过半个周期后，电容电压u C被反向充电到－U d，电流i C变为０V。

随后振荡电流i C又反向流过晶闸管，当i C达到负载电流i O的t2时刻，晶闸管电流下降为0A，进入关断恢复阶段。

晶闸管的导通时间T on=t2-t1，一旦电路参数固定之后，这一时间是固定的。

故称该电路为脉宽固定斩波电路，脉宽时间主要由换流电路中的电感L1和电容C决定，并与决定负载电流的负载参数R和L有关。

(2)晶闸管恢复正向阻断能力阶段
电容电压u C=－U d时，给晶闸管施加反向电压的同时，负载电流换流到通过L1、C和负载向电容充电，直到t3时刻电容电压u C下降到0V，在这期间（t3-t2），晶闸管承受反向电压，恢复了正向阻断能力。

(3)二极管续流阶段
电容C继续充电到u C=+U d的时刻t4时，i C下降，由于电感L感应电势的作用，二极管
V21导通续流，负载电流从L1C回路换流到通过二极管流过。

当L足够大时可一直维持到下一次触发晶闸管导通的时刻。

详细参阅教材P119~120中的有关部分。

2. 脉宽可调晶闸管斩波电路的工作过程分下述三个阶段
(1)主晶闸管开通阶段
在t1时刻触发主晶闸管V11导通，电源U d通过V11供给负载电流。

同时，已充电为+U d 的电容器C通过V11、L1、V22回路产生自由振荡放电，经过L1C振荡的半个周期到达时刻t2时，u C=-U d，i C=0，V22电流i22下降为0，V22截止。

二极管V22承受u C的反压不能导通，所以振荡停止。

从t2时刻起主晶闸管V11只通过负载的电流，一直维持到触发辅助晶闸管V12导通的t3时刻为止。

(2)触发辅助晶闸管，强迫关断主晶闸管阶段
t3时刻，触发辅助晶闸管V12导通，电容电压u C通过V12、V11放电，给主晶闸管V11施加反压，使其迅速关断。

V11关断后，电容C通过V12、负载L和R继续放电，到t4时刻，电容电压u c=0。

之后，C继续充电，直到u C=+U d的t5时刻为止。

可见，改变辅助晶闸管的触发时刻，可以调整斩波电路输出的脉冲宽度，故称该电路为脉宽可调斩波电路。

(3)辅助晶闸管自关断，续流二极管续流阶段
t5时刻，u C=+U d，i C=0，V12电流下降到维持电流以下自行关断。

二极管V21开始导通续流，直到下一个周期开始再次触发主晶闸管为止。

详细参阅教材P120~121中的有关部分。