QUESTION 1 [20 Marks]

An IGBT-based H-bridge circuit is supplied from a 400V DC supply and is used to generate a 50Hz square wave output voltage across an RL load (4Ω, 10mH).

a)   Draw the circuit diagram of the system. [4 marks]

b)  Calculate  the  rms  fundamental  and  harmonic  voltages  and  currents  (up  to  and including the 9th harmonic) if the harmonic voltages, Vn, are given by

∞

Vn =    x    n叮(4Vd) sin(n业t)

n=1,3,5, …

[5 marks]

c)   Accurately sketch the load, diode and switch current waveforms and the load voltage with respect to time. Clearly show the maximum and minimum values. Calculate the time at which the current crosses the x-axis. Assume the load current in the first half-

cycle of the input waveform is given by

where

Io = −R(Vd) l1 + e −L(R)t1]

[7 marks]

d)   Sketch the supply current waveform. [2 marks]

e)   Estimate the average dc current supplied by the 400V dc supply. [2 marks]

QUESTION 2 [20 Marks]

a)  For the following non-isolated DC-DC converters, draw the circuit diagram showing the  input  voltage  source  and  load  resistance.  For  each  circuit,  state  the  voltage transformation ratio (assuming continuous conduction mode) and derive an expression for Lfs that determines the boundary between CCM and DCM operation.

i)   Boost converter [6 marks]

ii)  Buck-boost converter [6 marks]

iii) Buck converter [4 marks]

b)  Determine  the  output  voltage  of a  buck-boost  converter  that  has  the  following parameters:

Vd = 50 V, L = 40 μH, C = 100 µF, R = 5Ω,fs = 35 kHz, D = 0.444 [4 marks]

QUESTION 3 [20 Marks]

a)   Draw the circuit diagram of the flyback converter circuit. [3 marks]

b)  Derive the following expression that relates the input and output voltages ( Vd and Vo respectively) of the flyback converter for DCM:

 = Dl

where the parameters take on their usual definitions. [5 marks]

c)   A flyback converter is required to generate a 12V DC output from a 400V DC input voltage. The coupled coil in the flyback converter has a turns ratio of 10:1 (N1 :N2).  The coupled coil has a primary inductance of 2mH. The rated output current is 1A.  The switching frequency is 100 kHz.

i.   Calculate the required D to generate 12V assuming an output current of 1A. [4 marks]

ii.   Draw the waveforms of the resultant input current, diode current and capacitor current. [4 marks]

iii.   Compare the waveforms of capacitor current in the flyback converter and the forward converter. [4 marks]

QUESTION 4 [20 Marks]