DC-DC变换电路

实验二十九DC/DCPWM升压、降压变换电路性能研究一、实验原理把直流电压降低为另一数值电压的最简单变换电路是电阻分压电路，为了调节输出电压方便，可以将串联的分压电阻用晶体管替代构成线性调整电源，控制串联晶体管的电流即可控制其两端电压降，达到调节输出电压的目的，但是其效率很低，大功率变换器不能采用这样的方法；而分压电路本身也是无法完成升压变换的，所以也必须通过电路器件和拓扑的改变，完成一种数值的直流电压到另一种数值的直流电压的变换，称为DC-DC变换。1.降压变换电路（Buck电路）在分压电路中，如果采用半导体功率开关器件取代串联电阻或线性工作的晶体管，使带有滤波器（L或/和C）的负载线路与直流供电电源周期性地接通、断开，则负载上也得到了另一个数值的直流电压，把输入的直流电源电压通过开关器件斩成周期性通断的方波，因而也称为“斩波电路”，这就是DC-DC降压变换的基本手段。降压电路也称为Buck电路。一个周期Ts内，开关器件接通时间ton所占整个周期Ts的比例称为占空比D：Dton/Ts断开时间toff占整个周期Ts的比例为：D'toff/Ts1D(29-1)(29-2)很明显，Buck电路中，占空比越大，负载上得到的电压电压也越高。正常工作模式中，输出电压V0与输入电源电压Vs的关系是：Vo(1D)Vs(29-3)这种DC-DC变换器在固定频率下通过改变占空比（即脉冲的宽度），使负载变化或电源电压变化情况下，负载上得到的电压恒定的方式，称为脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，简称PWM）。由于开关器件按外加控制脉冲而规律地通断，控制与本身流过的电流、承受的电压无关，所以电子开关也称为“硬开关”。理想开关导通时两端没有电压降，而关断时器件没有电流流通，因此相对于电阻或线性工作晶体管分压方式，效率大大提高了。d(t)d(t)图29-1为Buck变换器控制系统框图，由主电路、滤波电路、反馈网络、控制电路及PWM形成电路、驱动放大电路等组成。电感L和电容C构成滤波电路，电感L起维持电流连续的作用，电容C则起减少输出电压纹波的作用。L(+)VsVTVDioVoCRo驱动电路器PWM调制器vCGC(s)补偿网络veH(s)反馈网络Hyvref参考电压图29-1DC/DC-Buck变换器反馈控制系统开关导通时电流is流过电感L，电流线性增加，在负载R上流过电流io，输出电压Vo极性上正下负；当isio时，电容在充电状态。这时二极管VD承受反向电压不导通；经时间DTs后控制开关管断开，由于电感L中的磁场将改变其两端电压极刑，保持其电流iL不变，这时二极管VD承受正向偏压为电流iL提供通路（故VD称为续流二极管），电容放电，维持输出电压Vo不变。由于变换器输出电压Vo小于电源电压Vs，故称它为降压变换器。工作中输入电流在开关闭合时，is0，开关断开时，is=0，故is是断续的，但输出电流io在L、VD、C作用下是连续的。如果电感并非足够大，则电感在开关关断器件提供给负载的电流不足以维持到下一个导通期间，则电流会出现断续，电流断续后变换器输入输出关系不再呈现（29-3）的关系。2.升压变换电路（Boost变换器）LVDVsVTC(+)R0Uo驱动电路器PWM调制器vCGC(s)补偿网络veH(s)反馈网络Hyvref参考电压图29-2DC/DC-Boost变换器反馈控制系统采用开关电路的方式将低压输入变成高压输出的变换电路，称为Boost变换器，电2路拓扑如图29-2所示。开关管VT导通时，直流电源Vs给电感L提供电流，电感电流线性增加，电感电势极性为左正右负，二极管VD反偏不通，负载由电容C供电，电源能量储存在电感中；VT关断时，感应电动势为左负右正，电感中能量释放，与输入电压串联Vs经二极管VD向负载R供电，并同时向电容C充电，因此输出电压平均值V0将超过电源电压Vs，将低压直流变换成高压直流。其输入输出关系为：VoVs(1D)(29-4)理论上，当D从零趋近于1时，V0从Vs开始可以升至任意大。但是受到电感和开关频率的影响，D不能做到很大，尤其是不能等于1。二、实验目的1.验证、研究DC/DCPWM升、降压变换电路的工作原理和特性2.在实验28的基础上，进一步掌握PWM集成电路芯片的应用、设计原则3.了解电压/电流传感器的选用原则（参见实验37）4.建立驱动电路的概念和要求5.掌握反馈环节与滤波电路的概念与设计原则三、实验内容根据上述实验目的，任选一种DC-DC变换电路，以一个具体研究目标为实验内容，完成变换器特性实验研究。也可以完成Buck和Boost两种电路的实验研究。这些实验研究内容（研究目的）有：1.了解熟悉变换器各环节之间的信号、功率关系，正确地设计并连接、调试；2.控制器设计研究：开环特性、闭环特性、反馈环节（含传感器）设计与选用、校正网络的了解；3.占空比与电流连续方面的研究，对应的各参数设计、实验验证；4.这两种电路的滤波器设计与实验验证以上内容中，第1项为必选内容。其他各项内容可选择其一完成研究和实验，也可完成多项。完成各实验内容所需了解的相关内容，可参见综合实验教程综合部分的其它部分。四、实验设备电力电子综合实验装置及控制电路实验板、传感器模块、供电电源、控制电源3各种功率和参数的电感、电容、电阻数字式示波器计算机及相应分析软件面包板和若干元器件实验要求指标：降压实验：输入100V±20％；输出50V升压实验：输入50V±20％；输出100V输出功率：均为100W五、实验步骤根据实验要求和指标、实验条件自行拟定实验步骤。以下是基本步骤：1.正确完成主电路参数估算和连接、驱动电路的连接、控制电路的连接。综合实验装置上的DC/DC实验模块（主电路）可分别构建成Buck、Boost、Cuk（参见实验53）等拓扑，基于TL494集成PWM芯片的控制电路板上亦有跳接块JP1～JP4，分别具有和上述三种拓扑相配套的调节和选择功能。请自行完成预习和分析，选择相应的内容进行连接，完成实验。各部分的连接和调试原则，参见“实验指南”中的“3-电路及控制系统综合实验的实验设计和实验方法——如何开始一个设计性实验”。实验前应充分熟悉实验条件和“实验指南”中的步骤说明。2．选定实验内容后，根据实验内容和目的自行拟定记录表格。（参见“实验指南”中的“3-电路及控制系统综合实验的实验设计和实验方法——如何开始一个设计性实验”）。3.根据实验预计结果选择测量仪器和量程。4.根据实验结果，将示波器记录波形存储到计算机中，以便分析和撰写实验报告。六、实验思考题1.Buck电路中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？实验中如何保证电流连续？2.Boost电路中，为什么D不能等于1？实验中如何保证D≠1？3.两种电路中的L和C的设计应满足什么原则？4．实验电路中，开关管的驱动电路的要求有哪些？5.实验电路中，传感器选取原则有哪些？附录：采用集成PWM控制芯片TL494实现PWM控制的实验板电路原理图4111112141312+5VCVCC11GND14865117BA41123111286564253141141AB1采用集成PWM控制芯片TL494实现PWM控制的实验板电路原理图+5+12P12VL1+12D31N4148+12+5+12V1GNDC301000uC31104关机K2R4847KJ1C29104R47390KJP31C21R22V1-12VN12V1L2C321000u-12C33104Q18550R21100100u39KR312kC22471+12R33C27C28C1R1-12R492K10k330u10410420k孔PI1TP1开机K1R322kR3410kC23472U5TL494Vg1114215316V1V2V3I1R210KRP1100kR3+12R3547KR38100KR39390K123V+V-VFC18417518I1I2C2683100kC3104R173KR29C24103C254721516I-I+E1C2911619720821I3u1u2+12R450KC410uC5104+12C181u5.1KR305.1KR3610kR40100KR41390K564OCORREFE210922102311u3i1i2R510KC8104R9+12C19104R3710k2410K12i3TP4TP52513I1R6100R75.1K237U1LM31112U3A40113R182.7KHL110KHz+12+12PO1孔C9TP320KHzR468I2C6104R810KC71811045640114D21N4148JP13KRFoVg1157146-12Vg213+12R1027KC1010uC11104+12U3B1213U4D401111R201.8KD11N4148R4213KR4423k1JP4Vg2Vg3Vg4512411310R11740C16104R16HL256U4B40114JP2C26102R4350KR45100kVg5Vg629110KR19I2C12104R1224KR1310KR1420KC14474C17104237U2LM311891213U3C4011401110112.7K89U4C4011+12C2010410R2312kR242.4kR2510kR261kR272.7KR28680C13-12222R1575KC15472TP2U3D12U4A40113实验28－53DC/DCPWM变换电路