DCDC變換器的設(shè)計(jì)與調(diào)試

1、 課課程程設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說說明明書書 名稱 dc/dc 變換器的設(shè)計(jì)與調(diào)試 院 系 電子信息工程系 目錄目錄 第一章第一章 緒論緒論.3 1.1 電力電子學(xué)基礎(chǔ)介紹 1.2 電力電子在我國的應(yīng)用 第二章第二章 元器件介紹元器件介紹.4 2.1 三極管簡介 2.2 三極管的工作原理 2.3 tl494 簡介 第三章第三章 dc/dcdc/dc 變換器的技術(shù)指標(biāo)及要求變換器的技術(shù)指標(biāo)及要求.8 3.1 dc/dc 變換簡介 3.2 降壓式斬波電路原理簡介 3.3 升壓式斬波電路原理簡介 3.4 dc/dc 變換器原理圖 3.5 dc/dc 變換器工作原理解析 第四章第四章 dc/dcdc/dc 變換器的

2、調(diào)試調(diào)試與結(jié)果變換器的調(diào)試調(diào)試與結(jié)果.13 4.1 調(diào)試步驟 4.2 調(diào)試結(jié)果及波形繪制 第五章第五章 心得體會(huì)心得體會(huì).15 第六章第六章 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).16 第一章第一章 緒論緒論 1.1 電力電子學(xué)基礎(chǔ)介紹 電力電子學(xué)是一門將大功率半導(dǎo)體器件、電力電路和控制技術(shù)融為一體的 跨于電力、電子、控制之間所新興學(xué)科。它將弱電和強(qiáng)電、微電子電路和電力 電路、微機(jī)控制和大型電氣裝置等緊密聯(lián)系起來, 為工業(yè)現(xiàn)代化、自動(dòng)化提供 了理論基礎(chǔ), 成為包括鐵路牽引動(dòng)力現(xiàn)代化在內(nèi)的現(xiàn)代技術(shù)革命仗重要技術(shù)支 柱。 電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電 子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息

3、電子技術(shù)，電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域 的電子技術(shù)，具體的說就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。 本文通過分析電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展對(duì)斬波調(diào)速在直流牽引領(lǐng)域應(yīng)用能推動(dòng)作 用, 說明迅速提高鐵路電力電子學(xué)水平、提高電力電子技術(shù)科研能力, 對(duì)高速 發(fā)展我國鐵路運(yùn)輸和城市交通豹重要性。 1.2 電力電子在我國的應(yīng)用 應(yīng)普及電力電子技術(shù)在節(jié)能上作用的認(rèn)識(shí)，圍繞節(jié)能加快電力電子技術(shù)的 發(fā)展。在人才培養(yǎng)方面，我國高等院校已開始或正在設(shè)置電力電子學(xué)專業(yè)，電 力電子及電力半導(dǎo)體研究生也正在開始或計(jì)劃培養(yǎng)之中。目前參加電力電子學(xué) 會(huì)活動(dòng)的大專院校已有五十余個(gè)。在電力半導(dǎo)體器件方面，正如發(fā)展前景所作 的

4、估計(jì)，也正在向功率、快速、模塊、廉價(jià)四個(gè)方向發(fā)展。并根據(jù)我國當(dāng)前情 況，正特別強(qiáng)調(diào)與加強(qiáng)可靠性、成品率、全面參數(shù)三方面的工作。在電力電子 裝置方面，我國當(dāng)前生產(chǎn)最多的是牽引、電化和電熱冶金、直流傳動(dòng)、勵(lì)磁四 類裝置，但正如發(fā)展前景所估計(jì)的：斬波調(diào)速、交流調(diào)速、直流輸電、靜止補(bǔ) 償?shù)确矫?，也已有所發(fā)展或正在開始工作。 應(yīng)特別指出的是：電力電子技術(shù)對(duì)日用電器的發(fā)展具有重要影響。實(shí)際上， 電力半導(dǎo)體器件中大部分是中小型器件。在國外，日用電器是電力電子技術(shù)的 最大市場之一。但由于作為發(fā)展階段己經(jīng)過去，故未列入發(fā)展前景的估計(jì)之內(nèi)。 我國在發(fā)展過程中，一直未能重視小功率電力半導(dǎo)體器件及日用電器的生產(chǎn)， 所

5、以和國外差距很大。當(dāng)前正在大力發(fā)展日用機(jī)電產(chǎn)品，所以有必要強(qiáng)調(diào)電力 電子技術(shù)為日用電器服務(wù)。由于我國民用市場龐大，估計(jì)將有一個(gè)良好的應(yīng)用 前景。 第二章第二章 元器件介紹元器件介紹 2.1 tl494 簡介 tl494 是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全 部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。tl494 有 so-16 和 pdip-16 兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場合的要求。其主要特性如下： 主要特征 集成了全部的脈寬調(diào)制電路。 片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)（一個(gè)電阻和一個(gè)電容）。 內(nèi)置誤差放大器。 內(nèi)止 5v 參考基準(zhǔn)電壓源。 可調(diào)整死

6、區(qū)時(shí)間。 內(nèi)置功率晶體管可提供 500ma 的驅(qū)動(dòng)能力。 推或拉兩種輸出方式 2.2 工作原理簡述 tl494 是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器， 振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)， 輸出脈沖的寬度是通 過電容 ct 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率 輸出管 q1 和 q2 受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被 選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大， 輸出脈沖的寬度將減小。 tl494 脈沖控制波形圖 控制信號(hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放 大器的輸入端。死

7、區(qū)時(shí)間比較器具有 120mv 的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小 輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的 4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為 96%， 而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為 48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的 電壓（范圍在 03.3v 之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。 脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電 壓從 0.5v 變化到 3.5 時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間 中下降到零。兩個(gè)誤差放大器具有從-0.3v 到（vcc-2.0）的共模輸入范圍，這 可能從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平， 它與脈沖寬

8、度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器 只需最小的輸出即可支配控制回路。 當(dāng)比較器 ct 放電，一個(gè)正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約 束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)停止輸出管 q1 和 q2 的工作。若輸出控制端 連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個(gè)輸出晶體管，輸出頻率等于 脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于 50%時(shí)，輸出驅(qū) 動(dòng)信號(hào)分別從晶體管 q1 或 q2 取得。輸出變壓器一個(gè)反饋繞組及二極管提供 反饋電壓。在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出，亦可將 q1 和 q2 并聯(lián)使用，這時(shí)，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這

9、種狀態(tài)下， 輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。 tl494 內(nèi)置一個(gè) 5.0v 的基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路時(shí)，可提供高 達(dá) 10ma 的負(fù)載電流，在典型的 070溫度范圍 50mv 溫漂條件下，該基準(zhǔn) 電壓源能提供5%的精確度。 tl494 常應(yīng)用于電源電路當(dāng)中, tl494 是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路， 它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、 全橋式開關(guān)電源。tl494 有 so-16 和 pdip-16 兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場合 的要求。 tl494是一塊脈寬調(diào)制集成電路，是大多數(shù)微機(jī)電源的中心控制部件，如圖 1 所示。tl494是16腳雙列直插式集

10、成電路，內(nèi)部含有基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、低電 壓停止電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、mop 比較器、兩個(gè)誤差放大器和兩 個(gè)輸出電路等，引腳配線圖見圖2，內(nèi)電路框圖見圖3。 以下按引腳的順序介紹各腳的功能及有關(guān)參數(shù)。1 腳：誤差放大器r 的同 相輸入端，耐壓值41v。2 腳：誤差放大器r 的反相輸入端，耐壓值41v。3 腳： 反饋端，用于誤差放大器輸出信號(hào)的反饋補(bǔ)償，最高電壓4.5v。常用于提供形 成pg 信號(hào)的一個(gè)輸入信號(hào)4 腳：死區(qū)時(shí)間控制端，通過給該端施加03.5v電 壓，可使占空比在%49-0之間變化，從而控制輸出端的輸出。5 腳：振蕩器的定 時(shí)電容端。6 腳：振蕩器的定時(shí)電阻端。振蕩頻率 7

11、腳：接地端。8腳：為第一路脈寬調(diào)制方波輸出晶體管的集電極（耐壓值 41v、最大電流(250ma)。9腳：為第一路脈寬調(diào)制方波輸出晶體管的發(fā)射極（耐 壓值41v、最大電流(250ma)。10 腳：為第二路脈寬調(diào)制方波輸出晶體管的發(fā)射 極（耐壓值41v、最大電流(250ma)。11 腳：為第二路脈寬調(diào)制方波輸出晶體管 的集電極（耐壓值41v、最大電流(250ma)。12腳：電源輸入端，極限電壓41v， 低于7v 電路不啟動(dòng)。13腳：輸出方式控制端，當(dāng)2 腳與 腳相連時(shí)兩管為 推挽方式輸出，當(dāng)2 腳與地相連時(shí)兩管為并聯(lián)方式輸出。并聯(lián)輸出時(shí)兩管的發(fā) 射極與發(fā)射極可相連，集電極與集電極可相連，并聯(lián)后輸出

12、電流可達(dá)400ma。14 腳：基準(zhǔn)5v 電壓輸出，用于為各比較電路提供基準(zhǔn)電壓值，最大電流10ma。15 腳：誤差放大器2的反相輸入端，耐壓值41v16 腳：誤差放大器2的同相輸入端， 耐壓值41v。 2.3 tl494 脈沖控制 控制信號(hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差 放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有 120mv 的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小 輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的 4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為 96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為 48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固 定的電壓（范圍在 03.3v 之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。 脈

13、沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋 電壓從 0.5v 變化到 3.5 時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí) 間中下降到零。兩個(gè)誤差放大器具有從-0.3v 到（vcc-2.0）的共模輸入范圍， 這可能從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平， 它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大 器只需最小的輸出即可支配控制回路。 當(dāng)比較器 ct 放電，一個(gè)正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的 雙穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)停止輸出管 q1 和 q2 的工作。若輸出控制端連接到 參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個(gè)

14、輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振 蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于 50%時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào) 分別從晶體管 q1 或 q2 取得。輸出變壓器一個(gè)反饋繞組及二極管提供反饋電壓。 在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出，亦可將 q1 和 q2 并聯(lián)使用， 這時(shí)，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖 頻率將等于振蕩器的頻率。 tl494內(nèi)置一個(gè)5.0v的基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路時(shí)，可提供高達(dá)10ma 的負(fù)載電流，在典型的070溫度范圍50mv溫漂條件下，該基準(zhǔn)電壓源能提供 5%的精確度。 第三章第三章 dc/dcdc/dc 變換器的技術(shù)指標(biāo)及要求變換器的

15、技術(shù)指標(biāo)及要求 3.1 dc/dc 變換簡介 dc/dc 變換電路廣泛用于可調(diào)整直流開關(guān)電源和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中。變換器 的輸入是由電網(wǎng)電壓整流而來的不可控直流電壓，變換電路的功能是通過控制 電壓 vc 將不控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵?，通常把這種電路稱為斬波電路 或斬波器。 為了簡化變換電路的分析，一般作如下假設(shè)：開關(guān)是理想的，忽略感抗和 容抗的損耗，直流輸入電壓內(nèi)阻為零且有很大的濾波能力，變換電路的輸出級(jí) 有一個(gè)濾波器，其負(fù)載可以用一個(gè)等效電阻來代替，直流電機(jī)負(fù)載可用一個(gè)直 流電壓串聯(lián)一組繞組電阻和電感來代替。 在 dc/dc 變換電路中，可以控制直流輸出電壓平均值的大小，使其適應(yīng)于 輸入電

16、壓和輸出負(fù)載的特性。在開關(guān)式 dc/dc 變換電路中，輸入電壓是固定不 變的，可以利用控制開關(guān)的開通和關(guān)斷時(shí)間來控制輸出電壓的平均值。最常用 的控制輸出電壓的方法是在開關(guān)頻率不變的情況下，改變開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間即可 控制平均輸出電壓的大小，這種方法稱為脈寬調(diào)制法或稱為定頻調(diào)寬法。開關(guān) 的導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)周期之比定義為開關(guān)的占空比 d，占空比可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn) 行調(diào)整。 3.2 降壓式斬波電路原理簡介 降壓斬波電路。也稱為buck 變換器（ buck converter） 。 降 壓式變換電路的輸出電壓平均值低于輸入電流電壓平均值，這種電路主要用于 直流可調(diào)電源和直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中。假定開關(guān)是理想的，負(fù)載

17、為純電阻負(fù)載 工作原理，兩個(gè)階段 （ 1）t=0 時(shí) v 導(dǎo)通 ，e向負(fù)載供電，uo=e，io按指數(shù)曲線上 升 （ 2）t=t1時(shí) v 關(guān)斷，io經(jīng) vd 續(xù)流，uo近似為零，io呈指數(shù) 曲線下降 注意：為使io連續(xù)且脈動(dòng)小，通常使l值較大 流連續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓平均值 負(fù)載電流平均值： 電流斷續(xù)時(shí)，uo平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn) 斬波電路三種控制方式 （ 1）脈沖寬度調(diào)制（pwm）或脈沖調(diào)寬型 t不變，調(diào)節(jié) ton （ 2）頻率調(diào)制或調(diào)頻型 ton不變，改變t （ 3）混合型 ton和t都可調(diào)，使占空比改變 其中 pwm 控制方式應(yīng)用最多 3.3 升壓式斬波電路原理簡介 工作原理 假設(shè)l值、

18、c值很大 （1） v 通時(shí)，e向l充電，充電電流恒為i1，同時(shí)c的電壓向負(fù)載供電， 因c值很大，輸出電壓uo為恒值，記為uo。設(shè) v 通的時(shí)間為ton，此階段l上 積蓄的能量為ei1ton （2）v 斷時(shí)，e和l共同向c充電并向負(fù)載r供電。設(shè) v 斷的時(shí)間為 toff，則此期間電感l(wèi)釋放能量為 （3） 穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期t中l(wèi)積蓄能量與釋放能量相等 化簡得： ，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為 boost 變換器 ；升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變uo。將升壓比的倒數(shù)記作b，即 和導(dǎo)通占空比a有如下關(guān)系： 因此，公式可表示為 升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因 （1）l 儲(chǔ)能之后具

19、有使電壓泵升的作用 （2）電容 c 可將輸出電壓保持住 3.4 dc/dc 變換器原理圖 3.5 dc/dc 變換器工作原理解析 首先通過自激振蕩電路把輸入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡偻ㄟ^變壓器改變 電壓之后再轉(zhuǎn)換為直流電輸出， 或者通過倍壓整流電路將交流 電轉(zhuǎn)換為高壓直流電輸出。 主電路 從交流電網(wǎng)輸入、 直流輸出的全過程，包括： 1、輸入濾波器：其作用是將電 網(wǎng)存在的雜波過濾，同時(shí)也阻 礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共 電網(wǎng)。 2、整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下 一級(jí)變換。 3、逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源 的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出

20、功率之比越校 4、輸出整流與濾波： 根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。 控制電路 一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆 變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù) 據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。 檢測電路 除了提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀 表數(shù)據(jù)。 輔助電源 提供所有單一電路的不同要求電源。 第四章第四章 dc/dcdc/dc 變換器的調(diào)試調(diào)試與結(jié)果變換器的調(diào)試調(diào)試與結(jié)果 4.1 調(diào)試步驟 (1）三極管基極斷開，1 腳的 5.1k 歐電阻斷開時(shí)，測 5 腳的輸出電壓 波形。 （2）三極管基極斷開，使輸出電壓斷開，腳的 5.1k 歐電阻斷開時(shí)，由 3 腳外加電壓，以 2.5v3.5v 變化時(shí)占空比的變化。 （3）1 腳外加電壓（4.5v5.1v）代替反饋信號(hào)，觀察 8、11 端的電