1、南京航空航天大學(xué)功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名學(xué) 號(hào) 學(xué)院 專 業(yè)班 級(jí)趙銘鑫SZ1703066自動(dòng)化學(xué)院電氣工程電氣7班南涼航空航夫大學(xué)學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告功率電子功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-i -南涼航住航犬大學(xué)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）理解電壓控制型芯片脈寬調(diào)制原理；（2）加深對(duì)降壓式（Buck）直直變換器工作原理及特性的理解。2.實(shí)驗(yàn)原理|QID|L|CU|R U。實(shí)驗(yàn)UCK 變換器及其控制技術(shù)的研究功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-i -功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-2-南涼航住航犬大學(xué)Buck 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2所示。在開(kāi)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

2、連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM ）。從電路圖中可以看到當(dāng)開(kāi)關(guān)管 Q 導(dǎo)通時(shí)，二極管 D 反向截止，當(dāng)開(kāi)關(guān)管 Q 截止時(shí)，二極管 D 正向?qū)?，使電?L 中 流過(guò)不間斷的電流。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)法拉第定律，電感電壓一個(gè)周期內(nèi)的伏秒積等于零，有如下式(Ui-U)DT =U(1-D)T此時(shí)，輸出電壓與輸入電壓的比值是UoUi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(kāi)關(guān)頻率較低,器就工作在斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM ）。此時(shí)，輸出電壓和輸入電壓之間關(guān)系是U。_1匚lo/(4lGmaxD2)式中，Ui是輸入電壓，Uo是輸出電壓，D=TON/T為占空度，TON是開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，T 是開(kāi)關(guān)管控 制信號(hào)周期，Io

3、是輸出電流，lGmax是電感臨界連續(xù)電流的最大值。3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）PWM 控制芯片 SG3525 的工作原理和控制電路原理實(shí)驗(yàn)；（2） 觀測(cè)開(kāi)環(huán)控制下、電感電流連續(xù)時(shí) 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(cè)輸出電壓紋波，觀測(cè)開(kāi)關(guān)頻率對(duì)電感電流連續(xù)狀態(tài)的影響；（4） 研究開(kāi)環(huán)控制下、電感電流連續(xù)工作時(shí)Buck 變換器輸入輸出的基本電量關(guān)系和外特性；（5）觀測(cè)開(kāi)環(huán)控制下、電感電流斷續(xù)工作時(shí) 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(jì)實(shí)驗(yàn)。電感設(shè)計(jì)的條件為：30V 輸入電壓，15V 輸出電壓

4、，50Khz 工作頻率，設(shè)計(jì)輸出濾波電感值，使得當(dāng)輸出電流為0.2A 時(shí)電感電流臨界連續(xù)，并作出設(shè)計(jì)報(bào)告。并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果采用相應(yīng)的電感量驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。在開(kāi)關(guān)管 Q 關(guān)斷期間，電感電流在部分時(shí)間內(nèi)等于零，變換功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-3-南諒航程航夫大學(xué)GNMCL-SA降壓式(BUCK )變換器實(shí)驗(yàn)箱電耳Uccl15同卑1*AJE*AUcc2BtWVcc-OCt MttlB故電Rr笑處SG3525戟足譴甩“= =_ = a=s| r10ITQ T1HP卻20R2LIUo +功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-4-BUCK CONVERTER EXPERIMENTAL BOX圖 3 降壓式(Buc

5、k)變換器實(shí)驗(yàn)箱功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-5-南諫航空航犬大學(xué)4.實(shí)驗(yàn)步驟1 將 BUCK 變換器掛箱的所有開(kāi)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(shí)SG3525各管腳波形及驅(qū)動(dòng)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(guò)程。調(diào)節(jié) RW2 觀測(cè) PWM 波頻率的變化，通過(guò)測(cè)得的 PWM 波計(jì)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(shí)掛箱如 圖 3 所示，主電路供電電壓是 20

6、V30V 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 Ri、R2、R3為三條支路電流的采樣電阻，阻值為0.5Q,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(kāi)關(guān) S3左側(cè)的主電路輸出反饋信號(hào)Uo在掛箱內(nèi)部已經(jīng)連接好，開(kāi)關(guān) S3撥向“開(kāi)環(huán)”則主電路工作在開(kāi)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(shí)主電路輸出電壓 Uo就直接加在控制電路 RWi電位器上，RWi旋鈕可調(diào)節(jié) RWi電位器的阻值，RW2旋鈕可調(diào)節(jié) RW2電位器的阻值。(一)開(kāi)環(huán)狀態(tài)(1)電感電流連續(xù)情況：打開(kāi)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)

7、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(shí)場(chǎng)效應(yīng)管漏源極與柵級(jí)間電壓波形及它們之間的 關(guān)系，理解場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。1觀察并記錄輸入電流波形、電感支路、場(chǎng)效應(yīng)管支路、二極管支路的電流波形，觀測(cè)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(cè)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；2用示波器交流檔觀察輸出電壓紋波UPP。觀測(cè)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(chǎng)效應(yīng)管漏源極波形情況，觀測(cè)電感支路、

8、場(chǎng)效應(yīng)管支路、二極管支路 的電流波形，觀測(cè)電感兩端、二極管兩端、負(fù)載兩端的電壓波形，理解工作過(guò)程。觀測(cè)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(shí)串入主電路中觀測(cè)電感電流連續(xù)點(diǎn)變化情況。(3)變頻觀察電感電流連續(xù)點(diǎn)變化情況。調(diào)節(jié) RW1 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(shí)記錄此時(shí)頻率值，思考頻率變化對(duì)電感電流連續(xù)點(diǎn)的影響。(4)重新選擇主電路電感觀測(cè)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(dá)到 15V。功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-6-調(diào)節(jié)主電路輸入電壓由

9、20V 變到 30V，觀測(cè)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)功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-7-南涼航住航犬大學(xué)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(cè)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(jì)實(shí)驗(yàn)。電感設(shè)計(jì)的條件為：30V 輸入電壓，15V 輸出電壓，50Khz 工作頻率，設(shè)計(jì)輸出濾波電感值，使得當(dāng)輸出電流為0.2A 時(shí)電感電流臨界連續(xù)，并作出設(shè)計(jì)報(bào)告。并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果采用相應(yīng)的電感量驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)波形1波形；圖 4 為二極管兩

10、端的電流波形；圖5 所示開(kāi)關(guān)管柵源電壓波形；圖 6 為開(kāi)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(dòng)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(kāi)關(guān)管柵源電壓波形；圖 6 為開(kāi)關(guān)管漏源兩端電壓波形；圖7 為輸出電壓紋波。功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-8-1)圖 8 輸岀電壓與占空比的關(guān)系曲線3、開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，輸入電壓為 25V 時(shí)，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(shí),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(shí)，相同的占空比下，其輸

11、出電壓偏高。表 1 開(kāi)環(huán)時(shí)輸入電壓恒定，輸岀電壓與占空比的關(guān)系占空比 D輸出電壓 Uo (V)0.38.10.40.50.69.1211.213.830.715.634、閉環(huán)實(shí)驗(yàn)波形改變負(fù)載，所得出的輸出電壓大小如表2 所示，可見(jiàn)電壓閉環(huán)控制效果良好。表 1 開(kāi)環(huán)時(shí)輸入電壓恒定，輸岀電壓與占空比的關(guān)系負(fù)載電流(A)0.060.080.100.120.14輸出電壓 Uo(V)15.215.015.015.115.0南諒航程航夫大學(xué)15 -ABA0.40.8圖 6 晶體管漏源兩端波形圖 7 輸出電壓紋波功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-9-南諫航空航犬大學(xué)【6】分析與討論1、結(jié)合小信號(hào)建模、MATLAB 仿真和

12、實(shí)驗(yàn)，對(duì) BUCK 變換器進(jìn)行分析，總結(jié)出變換器電壓?jiǎn)苇h(huán)和電壓電流雙閉環(huán)工作時(shí)電壓電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)原則。1.1 BUCK 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)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=0.5，Dmax=Vo/Vin(min)=15V/20V=0.75。濾波電感 L 設(shè)計(jì)對(duì)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(shí)，變換器輸出會(huì)出現(xiàn)失控或紋波電流加大的問(wèn)題。因此，通常設(shè)計(jì)工作在連續(xù)模式。本次試驗(yàn)，lo(min)=0.1A 作為電感臨界連續(xù)電流，得：LVo(

13、1- Dmin)2Io(min)fs15V(1-.5)=750uH2 0.1A 50kHz這里取 L=750uH。濾波電容 C 設(shè)計(jì)輸出電容與輸出紋波電壓的大小有關(guān)。這里要求 V(p-p產(chǎn) 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:-Vo( p _p)ESRnax =(p卩丿在工作頻率大于 20kHz 時(shí),一艷=0.5Q 20%I0.2A電容的 ESR 與容量 C 滿足：ESR C =(5080) 10_6s因此，電容取值為:(50 80) 10s C0.5Q= (10016C)uF這里取 C=200uF。1.2 BUCK 電路小信號(hào)建模首先采用狀態(tài)

14、空間平均法對(duì)BUCK 變換器進(jìn)行小信號(hào)分析，其小信號(hào)模型如圖9 下:功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-10-GVC(S)g1+Sc1 s/(Q-0)(s/o)2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 cP 到輸出電壓 vo的小信號(hào)傳遞函數(shù)為:功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-11-南涼航住航犬大學(xué)其中,11 1-.0QZC =LCo(L/R(RLRC)CRCC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(shí)增益較低。1.3 BUCK 電路電壓?jiǎn)苇h(huán)控制設(shè)計(jì)原則電壓?jiǎn)苇h(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。沮 Gvg

15、(S)VregVe(務(wù)Gc(S) %(裁 1 必Gvd(S)1環(huán)路增益 T(s) 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：1T(s) =V-GC(s)GVd(s)H(s)Vm從圖 10 中可得：V(s)Gvg(s)v?(s) Zo(s)?(s)TVT(=1 T鬲 Vre(s)二 H(1 T)如果環(huán)路增益 T 在輸入電壓擾動(dòng)的頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)的很大，引入反饋控制后可以將輸入電壓擾動(dòng)對(duì)輸出電壓的作用抑制為 1/(1+T)倍，將負(fù)載擾動(dòng)對(duì)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(jì)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

16、環(huán)路增益T 要滿足一定的條件：1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(wú)差系統(tǒng)；2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；3環(huán)路增益在高頻段要具有 -40dB/Dec 的斜率，來(lái)快速衰減高頻量。因此，可總結(jié)出 BUCK 變換器閉環(huán)時(shí)調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)原則為：1設(shè)置環(huán)路增益的穿越頻率fc,通常取 fc=fs/(45)；2增加極點(diǎn) fcp1,使 fcp1=fzc以消除濾波電容 ESR 的影響；3在高頻處增益極點(diǎn) fcp2，通常取 fcp2=10fc，提高系統(tǒng)抑制高頻噪聲的能力；4在低于 fc的頻段，增加兩零點(diǎn) fz1，fz2，以獲得足夠的穩(wěn)定裕度。1.4 BUC

17、K 電路閉環(huán)設(shè)計(jì)1.4.1 BUCK 電路單電壓環(huán)設(shè)計(jì)當(dāng) BUCK 電路工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)時(shí)，由小信號(hào)建模分析可知，BUCK 電路的輸出電壓 Vo對(duì)占空比 d 的傳Gvd(s)二VgZo(s)功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-12-遞函數(shù)為：1+s/CQzc1 S/(Q g)(S/ g)2功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-13-南涼航住航犬大學(xué)其中,-. 1Qzc =0(L/R) (RLRc)CRcC在仿真時(shí)，Vg=30V , L=750uH , C=200uF, R=15 Q,RL=0.05Q, Rc=0.5Q，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 29.5d

18、B ;諧振頻率為 398Hz ,斜率為-40dB/sec;3濾波電容 C 在 1.6kHz 處提供一個(gè)零點(diǎn)，斜率變?yōu)檠a(bǔ)償后，要求低頻時(shí)有高增益，截止頻率在fc=fs/5=10kHz，即|T(10kHz)|=1。由|Gvd(10kHz)|=0.323 得:Gc(10kHz)H /Vm=1/Gvd(10kHz) =1/0.323仿真時(shí)，取 Vref=5V，貝 y H=Vrei/Vo=1/3，所以：|Gc(10kHz)|=23.23。通過(guò)計(jì)算，采用圖13(a)與圖 13(b)的補(bǔ)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(bǔ)償方式參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果補(bǔ)償方式原理圖

19、R1R2C1C2圖 5(a)10k Q230 kQ1.5nF圖 5(b)2 kQ47 kQ33pF8.2nF從圖 13(a)和(b)可以看出：1兩種補(bǔ)償方式在低頻段均具有高增益特性；2截止頻率均在 fs/5 的附近，均具有較快的響應(yīng)速度；10二-20dB/sec;截止頻率為 3.63kHz。從圖 12(b)得，相角需要加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)。圖 12(a) BUCK 變換器 Gvd(f)的幅頻特性曲線裕度為 70但是，變換器在低頻時(shí)增益不足，因此，相角f/Hz圖 12(b) BUCK 變換器 Gvd(f)的相頻特性曲線功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-14-3在高頻段圖 13(b)的補(bǔ)償方式有-2 的斜率，對(duì)干擾信號(hào)

20、的抑制能力強(qiáng)。功率電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-15-南涼航住航犬大學(xué)Ti(s)=Gc i(s) Ap(s) =Gmax1 s/Vgs/z1 sApLVms z=1/( R2C2)；：；p=1/(R2G)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 Q。從圖 15 中可以看出，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，電流環(huán)的開(kāi)環(huán)增益Ti(s)基本滿足理想要求的特性。(2)在設(shè)計(jì)電壓外環(huán)時(shí)，先要將電流內(nèi)環(huán)及主電路的等效功率級(jí)傳遞函數(shù)Aif(s)，然后進(jìn)行電壓環(huán)設(shè)計(jì)。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(jì)