电力电子实验报告文档格式.docx
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图28-3给出了软启动过程中的脉宽变化趋势，从中还可以看出，输出脉冲并非与V4的下降同时发生，而是需要经过一段时间，至
后才出现。
图28-2基于TL494芯片实现的PWM控制电路
图28-3电路的软启动过程
当V4稳定后，由其几何关系可以看出：
公式（28-1）
其中，V为V4的稳定值。
2.稳压控制方式
由图28-1可知，电路启动达到稳定状态后，除V4外，占空比D还与PWM同相端电压V3有关：
图中2号端口输入电位Vg为定值，若接入1端口的反馈电压Vf<
Vg，则V3=VA,恒定不变；
若Vf>
Vg，则V3=K（Vf-Vg），随Vf的增大而增大。
图28-4给出了占空比D与V3、V4的关系，根据公式（28-1），可得：
图28-4稳压控制下占空比D的计算
从公式（28-3）可知，V3越大，占空比D越小，从而使主电路中的输出电压减小，导致反馈电压Vf减小，V3下降，D增大，如此往复，最终Vf、V3与D均稳定在某个值上，其中Vf=Vg，V3=VA，
。
根据图28-2可知，若VA≡2.5V,则D≡0.42。
3.限流控制与脉冲锁闭
限流控制与脉冲锁闭既有联系，又有区别。
从控制对象与目的上看，两者检测的均是反馈电流，当其超过设定阈值时，通过使图28-1中逻辑参数C=1，使G1、G2输出低电平，S1、S2截止，从而关断较大的反馈电流。
从控制手段上看，限流控制是通过芯片内部的15，16端口，将反馈电流If与阈值电流IM进行比较，使
，进而使图28-1中PWM比较器的输出低电平，C=1，实现停止输出；
而脉冲锁闭则是通过在芯片外部布设如下图28-5所示的电流检测模块，比较I’f与I’M使得
，图28-1中死区电压比较器输出低电平，C=1，实现锁闭输出。
另外，脉冲锁闭功能在过流情况下，能通过二极管HL1或HL2的发光对操作者进行提示，而限流控制除了使输出脉冲为零外，并无其他提示信号。
图28-5电流检测模块的部分电路
四、实验内容
（1）考察开关频率为20kHz，单路输出时，集成电路的软启动功能。
（2）考察开关频率为20kHz，单路输出时，集成电路的反馈电压Vf对输出脉宽的影响。
（3）考察开关频率为20kHz，单路输出时，集成电路的反馈电流If对输出脉宽的影响。
（4）考察开关频率为20kHz，单路输出时，集成电路的保护封锁功能
（5）考察开关频率为20kHz，单路输出时，集成电路死区电压对输出脉宽的影响。
5、实验设备
1．PWM控制芯片TL494等，以及有关的外围电路元件；
控制电源
2．面包板或通用版；
或具有PWM芯片及外围电路的实验板
3．示波器
六、实验步骤
（1）集成电路软启动功能
按照原理图28-2，正确完成实验电路的电源连接，选择跳板JP1=1&
2，JP3=1&
2，JP4=1&
2；
打开电源，使三角波输出频率为20kHz，通过TP4用示波器CH2观测并记录其输出频率及幅值；
选择JP2=5&
6，启动PWM控制电路，同时用示波器的CH1、CH2端口分别记录Vg1与TP3的波形；
重新启动控制电路，以同样的方法完成JP2=3&
4、JP2=1&
2时启动波形的观测后，将其关闭。
（2）集成电路反馈电压Vf对输出脉宽的影响
选择跳板JP2=5&
6，将可调直流电压源连入电路的V1端，启动控制电路，调节电源输出电压，使TP1处的电位在200mV~2.6V范围内变化，利用示波器CH1、CH2分别检测TP1的电位值及Vg1的输出脉宽，并计算对应的占空比D，同时用万用表测量TL494芯片的3端口电位V3，至D≈0为止，而后关闭电路与电源；
JP2=3&
2时的数据记录同上。
（3）集成电路的反馈电流If对输出脉宽的影响
6，将可调直流电压源连入电路的I2端；
启动控制电路，调节电源输出电压，使TP2处的电位在200mV~2.52V范围内变化，利用示波器CH1、CH2分别检测TP2的电位值及Vg1的输出脉宽，并计算输出脉冲的占空比，至输出脉宽约为0或HL2灯亮时为止，而后关闭电路与电源。
（4）集成电路的保护封锁功能
6，将可调直流电压源连入电路的I1端；
启动控制电路，调节电源输出电压，利用万用表及示波器CH1分别观测并记录TP2电位值与Vg1输出脉宽的变化，直至HL1灯发光，关闭电路与电源。
实验结束后，关闭电路，切断电源。
7、实验结果
1.软启动功能
（1）验证锯齿波的产生，f=20kHz
图28-6TP4测得的锯齿波波形
（2）改变JP2，启动PWM控制电路
图28-7JP2=5&
6的波形
图28-8JP2=3&
4的波形
图28-9JP2=1&
2的波形
结论：
开机后，电阻分压比立即变化，但由于电容电压不能突变，因此死区电压VTP3只能逐渐衰减至稳态值，实现软启动的功能。
分析跳线开关JP2置于不同位置时的曲线，发现当改变跳线开关JP2对应电阻时，死区电压衰减速度不一样，而且最终的稳态值不一样。
2.反馈电压Vf对输出脉宽的影响
组别
固定参数
稳压控制实验
TP3死区电压V4/V
TP4
VCTm/V
比较电压V3/V
反馈电压V1/V
反馈电VTP1/V
脉宽Ton/us（T=49us,f=20.41kHz,）
实际占空比D
JP2（56）
0.465
2.90
0.06
0.40
0.2
36
0.75
1.23
0.6
4.08
2
0.8
4.8
2.4
2.45
4.82
2.41
31
0.62
2.5
4.85
2.43
16
0.33
2.80
4.9
13
0.27
3.87
4.95
2.47
0.00
JP2（34）
0.92
0.4
27
0.55
4
4.6
2.3
18
0.36
2.85
10
0.20
3.6
JP2（12）
0.72
1
1.2
32
0.65
2.2
4.86
28
0.56
4.94
0.08
4.2
4.98
2.49
根据实验所得数据，得到JP2置于不同位置时，控制电路输出脉冲占空比D与反馈电压Vf的关系如图28-10。
从中可以看出：
在Vf小于2.5V时，占空比D与反馈电压没有关系，输出脉宽基本不变，对应JP2置于不同位置，即不同死区电压时，占空比不同。
而当Vf接近于2.5V时，脉宽迅速减小，直至为零。
3.集成电路的反馈电流If对输出脉宽的影响
限流控制
VTP2/V
脉宽Ton/us
实际占空比
0.5
34
0.69
1.5
1.8
2.6
发光
实验过程并未观察到随反馈电流的增大（即VTP2），占空比下降。
但随着VTP2从2.4V突然增加到2.65V的过程，占空比降为0，过流二极管发光提示电流已超过阈值。
8、实验思考题
1.如何验证你设计的PWM控制电路具有稳压控制功能？
答：
可以使用直流稳压电源在电压反馈端输入一直流电压，调节变阻器RP1的大小，使得输入芯片LS4941号管脚的反馈电压V+接近于V-,观测V+变化时输出的反馈电压VF的大小。
V-端电压固定于2.5V左右，由于反馈放大器放大倍数高达39倍，所以当V+的电压在2.4V至2.5V变化时输出的反馈电压即发生改变，进而由于VF电平的变化，会使得输出脉冲电压的占空比发生改变。
2.如何验证你设计的PMW控制电路所具有的保护功能？
保护功能包括输入过电流保护以及电源输入过电流与输出过电流的封锁功能。
可以在电流反馈I1端加入一直流电压模拟输出电流。
一方面当直流电压增大时会使得芯片启动过电流保护功能使得输出的脉冲电压占空比减小。
当直流电压继续增大时，外围电路启动过电流封锁功能，输出的电压占空比为0，同时红灯亮，提示过流环节出现的位置。
可以在电流反馈I2端加入一直流电压模拟电源侧的输入电流，当直流电压增大至一定值时，外围电路启动过电流封锁功能，输出的脉冲电压占空比为0。
3.以你自己的调查或观察，举例说明软启动的作用。
答：
软启动过程中会出现一系列逐渐变宽的脉冲波形，使得占空比逐渐增大，输出的直流电压逐渐升高。
这样做的优点是防止电路中出现较大的冲击电流，比如变压器或电感因出现的的冲击电流而导致磁路饱和，进而损坏元件。
4.说明限流运行时PWM控制方式的变化。
电流比较器通过输出电流的反馈来影响死区时间，防止电流过大。
所以进行限流运行时，由三角波和直流电压进行比较产生的PWM控制，也受到了反馈电流的限制。
实验二十九DC/DC—PWM升压、降压变换电路性能研究
1.验证研究DC/DCPWM降压变换电路的工作原理和特性。
2.进一步掌握PWM集成电路芯片的应用和设计原则。
3.了解电压电流传感器的选用原则。
4.建立驱动电路的概念和要求。
5.掌握反馈环节的概念，设计反馈电路。
6.掌握滤波器的概念与设计原则。
1.研究、验证DC/DCPWM降压变换电路的工作原理；
2.熟悉PWM集成电路芯片TL494的基本功能和使用；
3.掌握降压直流电压变换电路开环特性和闭环特性。
1.DC/DC变换器主电路原理
DC/DC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。
图29-1DC/DCBUCk变换器主电路原理图
2.PWM集成电路芯片TL494原理图
图29-2PWM集成电路芯片TL494原理图
图29-2是PWM芯片电路原理图，图中12端接输入工作电压
，7端接地，14端可得到内部标准电压5伏，13端为输出方式控制端:
①若13端接地、V13为低电位时，P=0，D=0，E=0，G1=
=G2，Ta、Tb两路输出相同，如图29-2中所示。
即单路输出，本实验中只驱动一个开关管，故将13点接地用单路输出，若将两路并联可扩大输出容量。
②若13点接+5V，V13为高电位时，P=1，
，
在C=1时，G1=0，G2=0，T1，T2都截止，无驱动信号。
若C=0，Q=0时，G1=1，驱动T1，G2=0，T2截止
若C=0，
=0时，G2=1，驱动T2，G1=0，T1截止
这时G1G2的输出相差180°
，为双路输出。
双路输出时G1G2的电位或T1、T2的通、断状况与RS触发器状态有关。
当6端外接电阻
5端外接
时，5端将产生频率
=1.1/
的锯齿波
；
2、1两端引入DC/DC变换器输出电压的给定值
和反馈值
3端为电压调节器输出的误差电压
＝K（
），
送至PWM比较器的同相端，反相端电压为0.7V＋
当（
+0.7V）<
时，PWM比较器输出电压
＝1（高电位），C点高电位，或非门输出G1、G2点电位为零，Ta、Tb截止，无输出信号，主开关管T1、T2截止。
四、实验具体设计
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
选择滤波器的参数主要从两个方面来考虑：
（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：
（29-1）
负载电流最小值为0.2A,取占空比Dmin=0.4，fs=10KHz,
对应得出的最小电感值应为3.65mH。
（2）脉动电压不大于1%
根据脉动电压公式：
（29-2）
其中：
fs为开关频率，
（29-3）
取占空比Dmin=0.4，fs=10KHz,可以得Cmin=7.5uF
根据以上原则，并且保留一定的阈值，选择电感参数为：
10mH,电容参数为：
100uF。
3.传感器的选择
本次试验使用霍尔电压传感器和电流传感器。
一方面测量电流以及电压的大小，另一方面将电压信号和电流信号反馈至控制电路板中实现保护和反馈控制的功能。
（1）霍尔电流传感器的设计
本试验板上的霍尔电流传感器的传输比为：
50A/50mA,可见在一次侧输入1A的电流，二次侧产生的电压为1mA。
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倍即一次侧输入1A的电流，二次侧产生的电压为5mA。
传感器二次侧电阻的选择：
电流传感器可以将输出电流信号转化为电压信号反馈至控制电路板的I1引脚。
当输入I1电压大于一定值时可以使得电路启动过电流封锁。
输出电流的额定电流为2A，可以考虑一定的阈度，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。
所以在二次侧可以接入300欧姆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，使得控制电路启动电流封锁功能。
电流传感器也可以将输入电流信号转化为电压信号反馈至控制电路板的I2引脚，在二次侧可以接入2000欧姆的电阻，从而通过测量电压值来观察输入电流的变化。
（2）霍尔电压传感器的设计
电压传感器的作用主要是实现电压反馈功能实现输出电压的闭环控制。
电压传感器的本质也为电流传感器。
在被测量的支路上并联一大电阻。
电阻侧流过的电流为V1/R（V1为输出电压的大小，R为并联在支路侧的电阻，在实验台上为15K欧姆）,电阻侧流过的电流类似于霍尔传感器的一次侧电流。
已知传感器的电流传输比为10mA/25mA。
所以对应的二次侧输出电压为：
（29-4）
（
为二次侧所接的电阻）。
输出电压经过传感器测量产生电压信号输入至控制电路的V1口，再进过电路内部的分压之后输入至TL494芯片的V+引脚处实现电压反馈，使得输出电压一定。
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。
根据此原则可以确定电压传感器二次侧的电阻值。
V+=2.5V时对应的V1电压值应为5V。
所以当输出电压为额定值50V时，传感器输出电压的大小应为5V，根据上述公式可以确定R2值应为600欧姆。
本实验输出电压小于100V，所以可以选择150V量程。
五、实验步骤：
通过调整JP2所接电阻大小使得脉冲电压的占空比发生变化
1.开环实验
采用控制变量法，即：
保持负载电阻大小不变，调控输入的直流电压值，观测输出电压大小的变化；
保持输入的直流电压值不变，变化负载电阻大小，观测输出电压大小的变化。
（1）空载（实际负载电阻值为250欧姆）,占空比D=0.5，控制输入电压从80V变化至120V，观察输出电压及输出电流的变化。
（2）输入电压恒为100V,占空比D=0.5，负载电阻从30欧姆变化至空载，观察输出电压以及输出电流的变化。
2.闭环实验
同样也是采用控制变量法，将实验的结果和开环实验的结果进行比较。
在做上一实验的过程中发现参考电压值V-实际上小于2.5V。
当接入主电路之后当输出电压为额定值时，反馈至V+端的电压总是大于参考电压V-，因为之前是将V-当作2.5V来设计的。
此时可通过再调整RP1的大小使得输出电压为额定值时，V+=V-。
六、实验结果
1.开环实验数据
表1输出电压实验数据表
输入电压/V
120
110
100
90
80
输出电压/V
66.32
60.55
54.94
49.26
43.95
输入电流/A
0．02
输出电流/A
0．27
0．25
0.23
0.19
0.18
实验分析与结论：
D=0.5时，变换电路的变比为0.5，当输入电压从80V变化至120V时，输出电压也是近似的从40V变化至60V。
可见在开环的情况下当输入电压变化时输出电压并不可以维持在50V不变。
（2）输入电压恒为100V,占空比D=0.5，负载电阻变化，观察输出电压以及输出电流的变化实验数据如表2所示。
表2输出电压实验数据表
RL/欧姆
并联500Ω
并联200Ω
并联100Ω
38
42．5
45
0．020
0．035
0．32
0．37
0．65
本实验选取占空比的方法是先令空载（实际负载电阻值为250欧姆），输入电压为100V,调整JP2所接电阻大小使得脉冲电压的占空比发生变化，当输出电压为50V时认为此时对应的占空比为0.5。
在之后调整电路的实验中不改变JP2所接电阻的大小。
负载增大时，输出电流增大，由于存在输出电阻使得输出电阻分压增大，负载端电压下降。
可见当电路开环运行时，当输入电压的大小以及输出负载的大小变化时，输出电压的大小并不能保持恒定。
2.闭环实验数据
表3输出电压实验数据表
66.36
60.88
55.12
50．05
44.28
0．018
0．016
0．015
0．013
0．20
（2）输入电压恒为100V,占空比D=0.5，负载电阻变化，观察输出电压以及输出电流的变化实验数据如表4所示。
表4输出电压实验数据表
0．026
0．032
0．30
0．42
0．60
本实验选取占空比的方法是先令负载为空载（实际负载电阻值为250欧姆），输入电压为100V,调整RP1的大小使得输出电压为额定值时，V+=V-，当输出电压为50V时认为此时对应的占空比为0.5。
在之后调整电路的实验中不改变RP1的大小。
实验分析与结论：
当负载变化时，输出电阻的存在会使得输出电压发生变化，但是由于引入电压反馈，当电阻变化时，输出电压依旧维持在额定值左右不变。
综合实验可以发现当输入电压以及负载电阻变化时，由于电压反馈的作用，输出电压并不会发生变化。
电压反馈可以很好的维持输出电压的稳定。
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？
是。
由于电感断流后，续流二极管不导电，其阴极电位不再等于0而等于
，因而提高了输出电压平均值
临界负载电流与输出电压
、电感L、开关频率fs以及开关管的D占空比都有关。
实验室中电感很大时，临界电流很小，就很容易使电流连续
2.BOOST电路中，为什么D不能等于1？
实验中如何保证D不等于1？
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，为了防止输出电压过高，Boost电路不宜在占空比D接近于1的情况下工作。
利用死区时间可以使得D不接近1。
3.两种电路中L和C的设计应满足什么原则？
（1）脉动电压值控制在1%以内。
Buck
Boost
根据电路实际运行的参可以推得Buck中LC的最小值或Boost中电容的最小值。
（2）从断流考虑。
在正常运行范围内保证不出现断流的情况。
Buck
根据运行时的具体情况可以得求Buck中电感L最小值，最后再求出电容的最小值或Boost中电感的最小值。
4.实验电路中，开关管的驱动电路的要求有哪些？
本实验电路的开关管为三极管。
驱动电路的要求为：
（1）控制电路和驱动电路之间要有良好的电气隔离，使得主电路的高电压大电流不会对控制电路产生电磁干扰。
（2）开通时有较高的强触发，以减短开通时间。
（3）开通后基极电流要适当减小，以减小通态时基射结损
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