电力电子实验报告_

2012级《信号与控制综合实验》课程实验报告(基本实验四:电力电子基本实验)姓名吴楚田学号U201115686专业班号中英1203班同组者李文博学号专业班号中英1202班指导教师邓春花日期2015.7.2实验成绩评阅人实验评分表电气学科大类基本实验实验编号名称/内容实验分值评分实验二十八PWM信号的生成和PWM控制的实现实验二十九DC/DCPWM升压降压变换电路性能的研究实验三十三相桥式相控整流电路性能的研究实验三十一DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能的研究实验三十五DC/DCPWM升降压变换电路（cuk变换器）设计设计性实验实验名称/内容实验分值评分教师评价意见总分实验28PWM信号的生成和PWM控制的实现一、任务与目标掌握PWM控制芯片的工作原理和外围电路设计方法。掌握控制电路调试方法。了解其他PWM控制芯片的原理及设计原则。二、总体方案设计1．PWM控制PWM控制的基本原理：将宽度变化而频率不变的的脉冲作为电力电子变换器电路中的开关管驱动信号，控制开关管的适时、适式的通断；而脉冲宽度的变化与变换器的输出反馈有着密切的联系，当输出变化时，通过输出反馈调节开关管脉冲驱动信号，调节驱动脉冲的宽度，进而改变开关管在每个周期中的导通时间，以此来抵消输出电压的变化，从而满足电能变换的需要。2．TL494及外围电路介绍TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可以通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。输出电容的脉冲其实是通过电容上的正极性锯齿波电压与另外2个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触压器的时钟信号为低电平时才会被通过，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入，一路送至时间死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波的周期4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降为零。2个误差放大器具有从—0.3V到(vcc—2.0)的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉的到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调智器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制电路。图28-1PWM集成电路芯片TL494原理框图三、方案实现及具体设计1．基于PWM芯片的控制电路（包括外围电路）的设计：电路要求具有以上介绍的PWM控制的几个功能，可选择单路输出、双路推挽输出（具有约5us的死区）两种不同方案进行设计，开关频率为10kHz或20kHz；具有根据反馈电压调节脉宽功能、软启动功能、保护封锁功能，以及限流控制功能。2．分析一个具有PWM控制功能的电路，分析其所具有的功能，确定验证这些功能的实验步骤，列出必要的分析计算数据作为实验的依据，预测实验结果，以便验证实验。3．以上两项可选择一项完成，也可根据自己的能力全部完成。4．扩展性实验要求：针对其他的PWM控制芯片进行设计，并针对这些芯片的不同功能部分进行探讨和设计。四、实验设计及具体结果1．PWM脉宽调节：软启动后，在V1端口施加电压作为反馈信号Vf，给定信号Vg=2.5v，改变V1端口电压大小，即可改变V3,从而改变输出信号的脉宽。V3越大，K越大，C=J+K越大，脉宽越小；反之脉宽越大。记录不同V1下的输出波形并与预计实验结果比较。2．软启动波形：在启动时，为防止变换器冲击电流的出现，驱动脉宽应从零开始增大，逐渐变宽到工作所需宽度。本实验中此功能由脉冲封锁端口电位的逐渐开放来实现，电位又打逐渐变小，便可实现软启动。为对控制芯片的该控制过程有更明确和清晰的认识，我们可以观察芯片启动过程中“启动和保护端口4”（TP3）的电压波形变化并与实验前预测进行比较。1.锯齿波19.14khz2.锯齿波9.728khz3.tp1=2.26vvg1输出3.tp1=2.44vvg1输出4.软起动5.死区电压为0vvg1波形6.死区电压为1.75v时7.过流保护五、结果分析与讨论实验波形与理论值相差较大，输出驱动波形应为正方波，但实验得到的波形却为交流波形，正半周为方波，下半周不规则，有上升沿，类似锯齿波。可能因为电路元件老化，零点漂移严重。该实验难度很低，但实验用了很长时间。第一次做电力电子实验，对器材不熟悉，很多次调不出波形。六、实验思考题1.如何验证本实验中PWM控制电路（TL494）具有稳压控制功能？本实验中采用的控制芯片TL494中的稳压功能是通过反馈环节来实现的。验证稳压功能，可以采用Buck电路，如限定输出Vo=5v，通过传感器采集输出电压信号，同时采用合适的采样电阻（给定输出电压不同，则采样电阻不同），并调节可调电阻RP1，使变换器输出Vo=5v时。改变输入电压或负载大小，观察输出电压变化，即可验证PWM控制电路（TL494）具有稳压控制功能。2.如何验证本实验中PWM控制电路（TL494）具有的保护功能?PWM控制电路的保护功能由脉冲封锁端实现，改变脉冲封锁端口的电位，即可改变输出脉冲信号的脉宽；若脉冲封锁端电位由于外界因素的影响而被迫升高，使得V4+0.12Vct，则输出立即封锁。采用Buck电路进行验证，用电流传感器采样主电路电流，选择合适的采样电阻，转换成电压信号，并反馈到脉冲封锁端，一旦主电路电流超过允许极限电流，脉冲封锁端电位便快速上升，使输出立即封锁，保护主电路不致过流。3.以你自己的调查或观察，举例说明软启动的作用。电力电子变换器在启动时，若突然开放脉宽，会导致电路中出现较大的冲击电流。例如，电路中存在大容量电容时的充电电流；变压器元件会出现磁路饱和而产生很大的冲击电流；电路作为电动机类负载的供电电源时，会导致脉动转矩，电路出现过大电流。软启动，则可以使变换器的驱动脉宽从零平滑增长，逐渐变宽至正常工作所需宽度，使电位逐渐变化至完全开放所需的值，避免较大冲击电流。4.说明限流运行时的PWM控制方式的变化。在电力电子PWM变换电路中，当负载电流长时间超过额定电流时，由于稳压调节的关系，输出脉冲可能长时间处在很宽的情况下，虽然电路电流为达到保护保护动作电流，但此时变换器的输出功率可能已超过允许负荷，长时间超负荷运行会严重影响开关管寿命并导致电路故障，因此此时需对电流进行限制，使PWM由稳压控制方式转换为限制电流的非稳压方式。此时从端口15（以TL494为例）输入主电路变换器的允许极限电流mI，16端口接霍尔电流传感器的实际电流检测值fI，正常工作时mIfI，此时控制芯片仍工作在稳压方式，一旦mIfI，则电流比较器输出端Y输出高电位，使V3为高电位，)7.0(3crVV时，K=1，C=1，立即封锁输出信号。实验29DC/DC—PWM升压、降压变换电路性能研究一、任务和目标验证研究DC/DCPWM降压变换电路的工作原理和特性。进一步掌握PWM集成电路芯片的应用和设计原则。了解电压电流传感器的选用原则。建立驱动电路的概念和要求。掌握反馈环节的概念，设计反馈电路。掌握滤波器的概念与设计原则。二、总体方案设计1．降压变换电路（buck电路）DC/DC降压变换器主电路原理图如图29-1所示，图中DC/DC变换器主电路中接入了两个霍尔电流传感器，分别检测主电路输入电流和输出电流。2．升压变换电路（boost电路）三、方案实现和具体设计1.选择主电路元件的参数，搭建主电路BUCK电路要求输入电压为100V±20%；输出电压为50V。可以使用实验面板上的BUCK电路进行连线搭建。2.选择滤波器的参数（1）从断流考虑。在运行范围内保证不出现断流的情况。临界负载电流为：)1(2)1(2DLfVDDLfVISOSSOB负载电流最小值为0.01A,取占空比Dmin=0.4，fs=10KHz,对应得出的最小电感值Lmin=145.8mH。（2）脉动电压不大于0.1%根据脉动电压公式：)1()(222DffVVSCOO1GD1L1C1250/50WR1电流霍尔VsV电流霍尔电压霍尔AAV10mH100uF其中：fs为开关频率，错误!未找到引用源。则oosVVfDLC281=0.72977*10^-6取L=200mH，fs=10KHz,则Cmin=3.6458uF，取C=10uF故选择电感参数为：200mH,电容参数为：10uF。3.传感器的选择（1）霍尔电流传感器的设计选霍尔电流传感器的传输比为50A/50mA。为了提高试验测量的精度选择5匝端子使得灵敏度提高5倍。输出电流的额定电流为2A，保留一定的阈度，当电流大于3A时启动过电流封锁功能。此时对应的霍尔传感器的二次侧电流为15mA。在二次侧接入300Ω的电阻，使得当输出电流为3A时对应二次侧的输出电压为4.5V，此时控制电路启动电流封锁功能。（2）霍尔电压传感器的设计选霍尔电压传感器电流传输比10mA/25mA。当输出电压固定V0=50V时，霍尔传感器的输入电流为：50v1015k3iImA，则由电压传感器的电流传输比，输出电流025A25A10mA3imIIm额定运行时输出电压为50V，希望反馈至V+端的电压值为2.5V，即V+=V-=2.5V使得电路稳定工作。V+=2.5V时对应的V1电压值应为5V。故当输出电压为额定值50V时，传感器输出电压的大小应为5V，则6003/255mAVIVRoR600四、实验设计与实验结果1.D=0.52.D=0.443.D=0.6674.D=0.33五、结果分析与讨论实验不难，但不是很顺利。开始时，调节PWM驱动输出波形，但一直无锯齿波输出，因而也无输出驱动脉波。反复调节，但还是无驱动脉波输出。只好换了一片TL494，这才输出了驱动脉波。接下来的实验，原先设计的参数的元件实验台上的器材没有，只好重新设计。实验测得的输出数据高于理论值。从开环实验数据中，输出电压跟随输入电压、占空比和负载而发生变化，特别是负载变化时，输出电压会随着负载发生较大幅度的波动（负载变小，输出变大），波动较大。原因是随着负载电阻的变大，输出电流不断变小，输出电压不断变大，电流减小到断流时，不再符合电流连续时的soDVV，而是soVDDDV1，电压更加增大。因而开环情况不具备稳压功能。闭环实验中，输出电压随着输入电压的变化，发生很小的变化。因而闭环特性具有较好的稳压特性。六、实验思考题1．BUCK电路中的电感电流连续与否会有什么影响？哪些参数会影响电流连续？实验如何保证电流连续？电流是否连续会对实验带来影响，电流连续时输出与输入电压之间存在简单的线性关系soDVV，对输出特性易于把握，同时也便于应用。一旦电流不连续，soVDDDV1（1D对应从开关管截止到续流二极管断流所对应的时间比值），由于断流时间不易准确把握，同时这也使得输入输出关系无法准确把握。临界负载电流与输出电压oV、电感L、开关频率fs以及开关管的D占空比都有关。SoOBLfDVI2/)1(，采用较大的电感和适当的负载时，临界电流很小，有利于控制最小负载电流大于电路的临界连续电流。2．BOOST电路中，为什么D不能等于1？实验中如何保证D不等于1？在升压变换中，输出电压DVVso1，从数学上，当占空比趋近于1时，必然会使得输出趋于无穷大。但是，在每一个开关周期中，电感L都有一个储能和能量通过二极管D的释放过程，也就是说必有能量送到负载端。因此，如果该变换器没有接负载，则不断增加的电感储能不能消耗掉，必会使Vo不断升高，最后使变换器损坏。实际工作中，为