功率電子學(xué)實驗報告

1、功率電子學(xué)實驗報告作者: 日期:南京航空航天大學(xué)功率電子學(xué)趙銘鑫實驗報告學(xué)生姓名SZ1703066自動化學(xué)院電氣工程 電氣7班0一七年- -L實驗BUCK變換器及其控制技術(shù)的研究1. 實驗?zāi)康?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IQIC|LUiR UoBuck降壓式直直變換器主電路拓?fù)淙鐖D1所示，電感電流工作在連續(xù)模式下的主電波形圖如圖CCM )。從電路圖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(dǎo)通模式(中可以看到當(dāng)開關(guān)管 Q導(dǎo)通時，二極管 D反向截止，當(dāng)開關(guān)管 Q截止時，二極管 D正向?qū)ǎ?/p>

2、使電感L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(Ui -Uo)DT Uo(1-D)T此時，輸出電壓與輸入電壓的比值是UfD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(dǎo)通模式(DCM )。此時，輸出電壓和輸入電壓之間關(guān)系是Uo12Ui 1 lo/(4lGmaxD)式中，Ui是輸入電壓，Uo是輸出電壓，D=T on/T為占空度，Ton是開關(guān)管導(dǎo)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

3、制芯片SG3525的工作原理和控制電路原理實驗;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);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;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;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);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(dāng)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(yīng)的電感量

4、驗證設(shè)計結(jié)果是否滿足設(shè)計的技術(shù)要求。NMCL-SAA降壓式(BUCK )變換器實驗箱C入電IB-n - 苗 GnN r-：OFFJi? qtLf主電降轍出反信號hlrL檳制電s血VccOSI閉 坪o4圧Ucci ；JXUliJ11_補*wajA 1AAWACrIt出B*電fl占fh案i15-111JSG35J5KtVnnR9叫RIOC4PWW液 R門叫;OBUCK CONVERTER EXPEHtMENTAL BOX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

5、時SG3525PWM 波計算 PWM波頻率。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，主電路中R1、R2、R3為三條支路電流的采樣電阻，阻值為0.5 Q,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U。在

6、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(fù)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(yīng)管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(yīng)管的工作原理。Buck變換器主電路各工作器件的電壓觀察并記錄輸入電流波形、電感支路、場效應(yīng)管支路、二極管支路的電流波形，觀

7、測電感兩端、二極管兩端、負(fù)載兩端的電壓波形，理解變換器工作原理。觀測狀態(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(fù)載，使電感電流斷續(xù)，場效應(yīng)管漏源極波形情況，觀測電感支路、場效應(yīng)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(fù)載兩端的電壓波形，理解工作過程。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)RW

8、1使頻率f=50KHz，調(diào)節(jié)負(fù)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(dāng)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，（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)電位器思考頻率變化對電感電流連續(xù)點的影響。15V。調(diào)節(jié)主電路輸入電壓由20V變到RW1，使主電路輸出電壓達(dá)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），改變負(fù)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

9、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(dāng)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(yīng)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)管漏源兩端電壓波形；圖7為輸出電壓紋波。圖2場效應(yīng)管漏源兩端電壓波形圖3場效應(yīng)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i二 F rI

10、r:TTUpp : 1：V/div - 1 .10us/div圖7輸出電壓紋波圖6晶體管漏源兩端波形ifl圖8輸出電壓與占空比的關(guān)系曲線1所示。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)8.19.1211.213.8315.634、閉環(huán)實驗波形改變負(fù)載，所得出的輸出電壓大小如表2所

11、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(fù)載電流(A)0.060.080.100.120.14輸出電壓Uo(V)15.215.015.015.115.0Vo (1 Dmin )21 o(min) fs忌隊750UH【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)=15V/30V=0.

12、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lo(min)=0.1A作為電感臨界連續(xù)電流，得: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,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)w 100mV，取紋波電流為 20%lo(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Vo(P P) 100mV0520%l0.2A .ESR與容量C滿足：ESRnaxESR C (50

13、80) 10 6s因此，電容取值為:C (5080) 10 6s0.5(100 160)uF這里取C=200uF。1.2 BUCK電路小信號建模首先采用狀態(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:1: D+i (t)* Vgd (t)Vg(t)rid ” (C 士V(t)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Vg=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vo的小信號傳遞函數(shù)為:1 s/ ZCGvd(s) Vg 1 s/(Q 0)(s/0)2其中,10 TlcQo(L/R(Rl Rc)C從Gvd(s)的

14、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。ZC圖10中環(huán)路增益T(s)為:Vref( S)I io (s)1V3dsfGd(S+*-V|S*環(huán)路增益T (S)；I H(S) h圖10 BUCK單電壓環(huán)的控制原理圖T(s)1Gc(s)Gvd(s)H(s)從圖10中可得:Vs)Vg(s)Gvg ( S)V(s) Zo(s) i?)(s) 1 TV(s)v?ref (s)TH(1 T)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輸出

15、電壓的作用抑制為1/(1+T)倍，將負(fù)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(dá)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fcp 1,使fcp 1=fzc以消除濾波電容 ESR的影響； 在高頻

16、處增益極點 fcp2,通常取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1.4 BUCK電路閉環(huán)設(shè)計fz1, fz2，以獲得足夠的穩(wěn)定裕度。1.4.1 BUCK電路單電壓環(huán)設(shè)計當(dāng)BUCK電路工作在開環(huán)狀態(tài)時,遞函數(shù)為：由小信號建模分析可知,BUCK電路的輸出電壓 V。對占空比d的傳s/ zcGVd(s) Vg 1 s/(Q 0)(s/ 0)2其中,1 0 vTc在仿真時，Vg=30V , L=750uH ,Qo(L/R) (Rl ROCC=200uF, R=15 Q, Rl=0.05 Q, Rc=0.5Q,1zc 亠RcC由此參數(shù)作出Gvd(s)的波特圖，如圖

17、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)?裕度為70但是，變換器在低頻時增益不足，因此，相角-20dB/sec；截止頻率為 3.63kHz。從圖12(b)得,需要加入補償環(huán)節(jié)。相角f/Hz圖12(a) BUCK變換器Gvd(f)的幅頻特性曲線20log |Gvd (f )|/dBf/Hz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

18、.323得:|Gc(10kHz)H|/Vm 1/|Gvd(10kHz)|1/0.32313(b)仿真時，取 Vref=5V，貝U H=Vrei/Vo=1/3，所以：|Gc(10kHz)|=23.23。通過計算，采用圖13(a)與圖的補償方式下，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RiR2CiC2圖 5(a)10k Q230 kQ1.5nF圖 5(b)47 kQ33pF8.2nF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(yīng)速度； 在高頻段圖13(b)的補

19、償方式有-2的斜率，對干擾信號的抑制能力強。6Arg( T(f)/ f/Hz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。200020log |Ti (f )|/dB1000Gci( f)T血c000lliliil IliifilSli III IWii訓(xùn)li；!11|一10001 Mill Hirn HIM lllll I Ml IIIH11003 1e445 1e667 1e88f/Hz00-20%Arg( Ti(f)/ -500-1500100a a 皿f嚴(yán)3/, 45 J67/c81e41e61e8f/Hz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、