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 on
s
t 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。
2）和真正变压器相比，相同之处在于：Uo/Ud，Io/Id的表达式相同。
不同之处在于：对于Buck电路，尽管平均电流Id与Io之间也符合变压器的变比关系，但id瞬时值不是直流，含有与开关频率有关的脉动量。BOOST电路不能空载工作。
6.关于输出电压的脉动，回答下列问题：
1）输出电压的脉动率是如何定义的？
2）其它条件不变时，电容值的变化对输出电压的脉动率的大小有何影响，并定性地分析产生这种影响的原因？
3）其它条件不变时，器件开关频率的变化对输出电压的脉动率的大小有何影响，并定性地分析产生这种影响的原因？
4）以BUCK 电路为例，说明如何进行合理的设计，以保证较小的输出电压的脉动率。 答：
1）输出电压脉动率=
(o o
V V ∆峰－峰值）
（平均值）
2）电容值越大，输出电压脉动率越小。理由是：电容越大，滤波效果越好，0V ∆越小，使输出电压脉动率减小。
3）器件开关频率越高，输出电压脉动率越小。理由是：开关频率越高，输出电压中包含的高次谐波的频率越高，经电容滤波后衰减越大，则0V ∆越小，使输出电压脉动率减小。
4）BUCK 电路在连续导通模式下，输出电压脉动率为： 2(1)
18o s o V T D V LC ∆-=
可见，合理选择LC ，即使可LC 足够大，则可保证足够小的输出电压的脉动率。
7.什么是寄生元件效应，该效应对BOOST 电路的变压比有何影响？从控制角度，应如何减小寄生效应的不良影响。 答：
1）电感，电容，开关，二极管等元件上的损耗产生了寄生元件效应，当D 接近1时，实际
的变压比有所下降。
2）应用时，一般要限制占空比D 使其不要过大，以使寄生效应不明显。
8.关于DC －DC 可逆变换器（斩波电路），回答下列问题：
1）简述为什么BUCK 电路和BOOST 电路只能工作于输出特性V o -I o 平面中的一个象限中。 2）什么是可逆斩波电路？简述可逆斩波电路的种类，并结合其电路结构的特点说明其为什么能实现可逆运行。
3）在桥式DC －DC 变换器中，为什么每个桥臂中的两个器件通常工作在互补开关方式下？每个桥臂中的两个器件在其开关过程中为什么要设置死区时间？
4）全桥DC －DC 变换器通常采用哪两种控制方式，它们的控制效果有何差别？ 答：
1）BUCK 电路和BOOST 电路输出电流是单方向的，电压也不能反向，故只能工作于输出特性V 0-I 0平面中的一个象限内。
2）电能可以双向流动的斩波电路叫可逆斩波电路。
可逆斩波电路分为半桥可逆斩波电路，全桥可逆斩波电路。下面以半桥可逆斩波电路（如下图所示）为例，说明其可逆运行的原理。
半桥可逆斩波电路可看作是降压斩波电路和升压斩波电路的组合。其中V1和VD 1构成降压斩波电路，向负载输出电能。V2和VD 2构成升压斩波电路，将负载上电能反馈回直流电源。这样就实现了可逆运行。
3）每个桥臂中的两个器件通常工作在互补开关方式下，是为了使同一桥臂的上下两个开关不会同时断开，这样可以保证负载电流是连续的。
在理想情况下，两个开关不会同时断开。而实际应用中，在开关过程中，为避免同一桥臂的上下两个开关，在开关状态切换的瞬间造成桥臂直通和直流电源瞬间短路，需要设置死区时间，即在切换瞬间2个器件均处于关断状态。
4）全桥DC －DC 变换器通常采用双极性PWM 控制和单极性PWM 控制两种控制方式。
①单极性PWM 输出电压的频率必双极性PWM 提高了1倍。(在开关频率fs 相同时) ②单极性PWM 输出电压的脉动幅度，由双极性降低了一半。
总之，单极性控制下输出电压的频率高，脉动小，有利于滤波器的设计。
