功率電子學實驗報告

1、 南京航空航天大學功率電子學實驗報告學生姓名趙銘鑫學 號SZ1703066學 院自動化學院專 業(yè)電氣工程班 級電氣7班二一七年十一月 功率電子學實驗報告實驗一 BUCK變換器及其控制技術(shù)的研究1. 實驗目的（1）理解電壓控制型芯片脈寬調(diào)制原理；（2）加深對降壓式(Buck)直直變換器工作原理及特性的理解。2. 實驗原理圖1 Buck直直變換器主電路拓撲圖2 Buck直直變換器電感電流連續(xù)時波形圖Buck降壓式直直變換器主電路拓撲如圖1所示，電感電流工作在連續(xù)模式下的主電波形圖如圖2所示。在開關(guān)管Q關(guān)斷期間，電感電流始終不小于零的狀態(tài)稱為連續(xù)導通模式（CCM）。從電路圖中可以看到當開關(guān)管Q導通時

2、，二極管D反向截止，當開關(guān)管Q截止時，二極管D正向?qū)ǎ闺姼蠰中流過不間斷的電流。穩(wěn)態(tài)運行時，根據(jù)法拉第定律，電感電壓一個周期內(nèi)的伏秒積等于零，有如下式此時，輸出電壓與輸入電壓的比值是因此，輸出電壓總是小于輸入電壓。如果輸出電流較小或者開關(guān)頻率較低，在開關(guān)管Q關(guān)斷期間，電感電流在部分時間內(nèi)等于零，變換器就工作在斷續(xù)導通模式（DCM）。此時，輸出電壓和輸入電壓之間關(guān)系是式中，Ui是輸入電壓，Uo是輸出電壓，D=TON/T為占空度，TON是開關(guān)管導通時間，T是開關(guān)管控制信號周期，Io是輸出電流，IGmax是電感臨界連續(xù)電流的最大值。3. 實驗內(nèi)容（1）PWM控制芯片SG3525的工作原理和控制電

3、路原理實驗；（2）觀測開環(huán)控制下、電感電流連續(xù)時Buck變換器主電路各工作器件的電壓狀態(tài)、各支路電流狀態(tài)；（3）觀測輸出電壓紋波，觀測開關(guān)頻率對電感電流連續(xù)狀態(tài)的影響；（4）研究開環(huán)控制下、電感電流連續(xù)工作時Buck變換器輸入輸出的基本電量關(guān)系和外特性；（5）觀測開環(huán)控制下、電感電流斷續(xù)工作時Buck變換器主電路的電量關(guān)系和各工作器件的電壓狀態(tài)；（6）研究閉環(huán)控制下電壓調(diào)整率及外特性；（7）電感量設(shè)計實驗。電感設(shè)計的條件為：30V輸入電壓，15V輸出電壓，50Khz工作頻率，設(shè)計輸出濾波電感值，使得當輸出電流為0.2A時電感電流臨界連續(xù)，并作出設(shè)計報告。并根據(jù)設(shè)計結(jié)果采用相應的電感量驗證設(shè)計結(jié)

4、果是否滿足設(shè)計的技術(shù)要求。圖3 降壓式（Buck）變換器實驗箱4. 實驗步驟1、將BUCK變換器掛箱的所有開關(guān)關(guān)閉后再接線。2、控制電路接20V直流電壓，調(diào)節(jié)電位器RW1，用示波器觀察并記錄占空比為某一定值時SG3525各管腳波形及驅(qū)動電路輸出波形。注意觀察SG3525的9腳、5腳波形和輸出波形之間的關(guān)系，理解SG3525芯片PWM波產(chǎn)生過程。調(diào)節(jié)RW2觀測PWM波頻率的變化，通過測得的PWM波計算PWM波頻率。3、控制電路接20V直流電壓，主電路接20-30V可調(diào)直流電壓，降壓式（Buck）變換器實掛箱如圖3所示，主電路供電電壓是20V30V可調(diào)直流電壓，控制電路供電電壓是20V直流電壓，主

5、電路中R1、R2、R3為三條支路電流的采樣電阻，阻值為0.5，主電路輸出端需外接可調(diào)電阻器和直流電壓電流表箱。面板上主電路輸出電壓UO與控制電路開關(guān)S3左側(cè)的主電路輸出反饋信號Uo在掛箱內(nèi)部已經(jīng)連接好，開關(guān)S3撥向“開環(huán)”則主電路工作在開環(huán)狀態(tài)，S3撥向“閉環(huán)”則主電路工作在閉環(huán)狀態(tài)，此時主電路輸出電壓Uo就直接加在控制電路RW1電位器上，RW1旋鈕可調(diào)節(jié)RW1電位器的阻值，RW2旋鈕可調(diào)節(jié)RW2電位器的阻值。（一）開環(huán)狀態(tài)（1）電感電流連續(xù)情況：打開主電路電源，使主電路工作電壓為25V，觀察電感支路的電流波形，調(diào)節(jié)負載，使電感工作在電流連續(xù)情況下。用示波器觀察并記錄占空比為某一定值時場效應管

6、漏源極與柵級間電壓波形及它們之間的關(guān)系，理解場效應管的工作原理。觀察并記錄輸入電流波形、電感支路、場效應管支路、二極管支路的電流波形，觀測電感兩端、二極管兩端、負載兩端的電壓波形，理解變換器工作原理。觀測Buck變換器主電路各工作器件的電壓狀態(tài)、各支路電流狀態(tài)和Buck變換器輸入輸出的基本電量關(guān)系和外特性；用示波器交流檔觀察輸出電壓紋波UPP。觀測主電路輸出電壓隨占空比D的變化情況，畫出曲線，理解主電路的工作原理。（2）電感電流斷續(xù)情況：改變負載，使電感電流斷續(xù)，場效應管漏源極波形情況，觀測電感支路、場效應管支路、二極管支路的電流波形，觀測電感兩端、二極管兩端、負載兩端的電壓波形，理解工作過程

7、。觀測主電路輸出電壓隨占空比D的變化情況，理解主電路的工作原理。把L1、L2同時串入主電路中觀測電感電流連續(xù)點變化情況。（3）變頻觀察電感電流連續(xù)點變化情況。調(diào)節(jié)RW1使頻率f=50KHz，調(diào)節(jié)負載，使電感電流波形處于臨界連續(xù)狀態(tài)，調(diào)節(jié)頻率，當電感電流波形由臨界連續(xù)變?yōu)閿嗬m(xù)時記錄此時頻率值，思考頻率變化對電感電流連續(xù)點的影響。（4）重新選擇主電路電感觀測波形：（二）閉環(huán)狀態(tài)打到閉環(huán)單環(huán)控制狀態(tài)。調(diào)節(jié)電位器RW1，使主電路輸出電壓達到15V。調(diào)節(jié)主電路輸入電壓由20V變到30V，觀測占空比的變化及輸出電壓變化值。以此觀察輸出電壓的穩(wěn)定性，理解閉環(huán)控制原理。將輸入電壓重新調(diào)到25V（輸出仍為15V

8、），改變負載阻值，觀察并記錄輸出電流與電壓的變化關(guān)系。觀測閉環(huán)狀態(tài)下Buck電路的輸入電流波形和輸出電壓波形。（三）電感量設(shè)計實驗。電感設(shè)計的條件為：30V輸入電壓，15V輸出電壓，50Khz工作頻率，設(shè)計輸出濾波電感值，使得當輸出電流為0.2A時電感電流臨界連續(xù)，并作出設(shè)計報告。并根據(jù)設(shè)計結(jié)果采用相應的電感量驗證設(shè)計結(jié)果是否滿足設(shè)計的技術(shù)要求。5. 實驗結(jié)果1、開環(huán)實驗波形波形；圖4為二極管兩端的電流波形；圖5所示開關(guān)管柵源電壓波形；圖6為開關(guān)管漏源兩端電壓波形；圖7為輸出電壓紋波。圖2為驅(qū)動電壓波形，圖3為輸出電壓波形；圖4為二極管兩端的電流波形；圖5所示開關(guān)管柵源電壓波形；圖6為開關(guān)管漏

9、源兩端電壓波形；圖7為輸出電壓紋波。 圖2 場效應管漏源兩端電壓波形 圖3場效應管柵源兩端電壓波形 圖4 二極管電流波形 圖5 晶體管柵源兩端波形 圖6 晶體管漏源兩端波形 圖7 輸出電壓紋波圖8 輸出電壓與占空比的關(guān)系曲線3、開環(huán)狀態(tài)下，輸入電壓為25V時，電壓隨占空比的變化關(guān)系如表1所示。根據(jù)表1作出輸出電壓隨占空比變化的曲線，如圖8所示。從圖中可以看出，在輸出電壓Vo較大時，即電感電流連續(xù)的情況下，Vo與占空比D近似呈線性關(guān)系；而在電感電流斷續(xù)時，相同的占空比下，其輸出電壓偏高。表1 開環(huán)時輸入電壓恒定，輸出電壓與占空比的關(guān)系占空比D0.30.40.50.60.7輸出電壓Uo（V）8.1

10、9.1211.213.8315.634、閉環(huán)實驗波形改變負載，所得出的輸出電壓大小如表2所示，可見電壓閉環(huán)控制效果良好。表1 開環(huán)時輸入電壓恒定，輸出電壓與占空比的關(guān)系負載電流（A）0.060.080.100.120.14輸出電壓Uo（V）15.215.015.015.115.0【6】分析與討論1、結(jié)合小信號建模、MATLAB仿真和實驗，對BUCK變換器進行分析，總結(jié)出變換器電壓單環(huán)和電壓電流雙閉環(huán)工作時電壓電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計原則。1.1 BUCK主電路參數(shù)設(shè)計根據(jù)輸入電壓范圍Vin(min)=20V，Vin(max)=30V，Vo=15V及Vo=DVin得：Dmin=Vo/Vin(max)

11、=15V/30V=0.5，Dmax=Vo/Vin(min)=15V/20V=0.75。濾波電感L設(shè)計對于BUCK變換器，其工作狀態(tài)分為連續(xù)模式和斷續(xù)模式。斷續(xù)模式時，變換器輸出會出現(xiàn)失控或紋波電流加大的問題。因此，通常設(shè)計工作在連續(xù)模式。本次試驗，Io(min)=0.1A作為電感臨界連續(xù)電流，得：這里取L=750uH。濾波電容C設(shè)計輸出電容與輸出紋波電壓的大小有關(guān)。這里要求Vo(p-p)100mV，取紋波電流為20%Io(max)=0.2A，因此，電容的串聯(lián)等效電阻滿足：在工作頻率大于20kHz時，電容的ESR與容量C滿足：因此，電容取值為：這里取C=200uF。1.2 BUCK電路小信號建模

12、首先采用狀態(tài)空間平均法對BUCK變換器進行小信號分析，其小信號模型如圖9下：圖9 BUCK變換器在電感電流連續(xù)模式下的小信號電路在CCM模式下，令=0，并考慮電感的線圈電阻RL及電容C的寄生電阻Re，可求得占空比到輸出電壓的小信號傳遞函數(shù)為：其中， 從Gvd(s)的傳遞函數(shù)可知，呈現(xiàn)低通濾波器的特性，在低頻時增益較低。1.3 BUCK電路電壓單環(huán)控制設(shè)計原則電壓單環(huán)控制原理如圖10所示，圖中Vm為鋸齒波的峰峰值，通常取2.5V。圖10 BUCK單電壓環(huán)的控制原理圖圖10中環(huán)路增益T(s)為：從圖10中可得： 如果環(huán)路增益T在輸入電壓擾動的頻率范圍內(nèi)設(shè)計的很大，引入反饋控制后可以將輸入電壓擾動對

13、輸出電壓的作用抑制為1/(1+T)倍，將負載擾動對輸出的作用抑制為1/(1+T)倍；如果環(huán)路增益T在低頻范圍內(nèi)設(shè)計的很大，可以減小輸出電壓的誤差。因此，要達到閉環(huán)控制目的，其環(huán)路增益T要滿足一定的條件：環(huán)路增益在低頻段要有高增益，呈現(xiàn)積分特性，提高系統(tǒng)型別，使系統(tǒng)成為無差系統(tǒng)；環(huán)路增益在中頻段要提供足夠的相角裕度，使系統(tǒng)穩(wěn)定；環(huán)路增益在高頻段要具有-40dB/Dec的斜率，來快速衰減高頻量。因此，可總結(jié)出BUCK變換器閉環(huán)時調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計原則為：設(shè)置環(huán)路增益的穿越頻率fc，通常取fc=fs/(45)；增加極點fcp1，使fcp1=fzc以消除濾波電容ESR的影響；在高頻處增益極點fcp2，通

14、常取fcp2=10fc，提高系統(tǒng)抑制高頻噪聲的能力；在低于fc的頻段，增加兩零點fz1，fz2，以獲得足夠的穩(wěn)定裕度。1.4 BUCK電路閉環(huán)設(shè)計1.4.1 BUCK電路單電壓環(huán)設(shè)計當BUCK電路工作在開環(huán)狀態(tài)時，由小信號建模分析可知，BUCK電路的輸出電壓vo對占空比d的傳遞函數(shù)為：其中， 在仿真時，Vg=30V，L=750uH，C=200uF，R=15，RL=0.05，Rc=0.5，由此參數(shù)作出Gvd(s)的波特圖，如圖12(a)和(b)所示。從圖4(a)得：變換器的低頻增益為29.5dB；諧振頻率為398Hz，斜率為-40dB/sec；濾波電容C在1.6kHz處提供一個零點，斜率變?yōu)?2

15、0dB/sec；截止頻率為3.63kHz。從圖12(b)得，相角裕度為70°。但是，變換器在低頻時增益不足，因此，需要加入補償環(huán)節(jié)。圖12(a) BUCK變換器Gvd(f)的幅頻特性曲線圖12(b) BUCK變換器Gvd(f)的相頻特性曲線 補償后，要求低頻時有高增益，截止頻率在fc=fs/5=10kHz，即|T(10kHz)|=1。由|Gvd(10kHz)|=0.323得：仿真時，取Vref=5V，則H=Vref/Vo=1/3，所以：|Gc(10kHz)|=23.23。通過計算，采用圖13(a)與圖13(b)的補償方式下，各參數(shù)如表3所示。其環(huán)路增益特性曲線如圖14(a)與(b)所

16、示。表3 各種補償方式參數(shù)設(shè)計結(jié)果補償方式原理圖R1R2C1C2圖5(a)10k230 k1.5nF圖5(b)2 k47 k33pF8.2nF從圖13(a)和(b)可以看出：兩種補償方式在低頻段均具有高增益特性；截止頻率均在fs/5的附近，均具有較快的響應速度；在高頻段圖13(b)的補償方式有-2的斜率，對干擾信號的抑制能力強。圖13(a) BUCK變換器Gvd(f)的幅頻特性曲線圖13(b) BUCK變換器Gvd(f)的相頻特性曲線1.5.2 BUCK電路電壓電流雙環(huán)的設(shè)計(1)對于電流內(nèi)環(huán)，采用單極單零的補償網(wǎng)絡(luò)，如圖14(b)所示。圖14(a) 電流環(huán)調(diào)節(jié)器及開環(huán)增益的幅頻特性圖14(b) 電流環(huán)調(diào)節(jié)器及開環(huán)增益的相頻特性根據(jù)電流誤差放大器的最大增益Gmax=62.5、截止頻率fc=fs/(2Dmax)=10kHz及選取fz=fc/2，fp=fs可得： R1=2k，R2=125 k，C1=25pF，C2=240pF。其電流環(huán)的調(diào)節(jié)器及開環(huán)增益Ti(s)的波特圖如圖7(a)和(b)所示。其中，輸入最大電壓Vgmax=30V，鋸齒波峰峰值Vm=2.5V，采樣電阻Rs=0.1。從圖15中可以看出，經(jīng)過補償后，電流環(huán)的開環(huán)增益Ti(s)基本滿足理想要求的特性。(2)在設(shè)計電壓外環(huán)時，先要將電流內(nèi)環(huán)及主電路的等效