DCDC变换器的设计与调试.doc

课课程程设设计计说说明明书书 名称 dc/dc 变换器的设计与调试 院 系 电子信息工程系 目录目录 第一章第一章 绪论绪论3 1.1 电力电子学基础介绍 1.2 电力电子在我国的应用 第二章第二章 元器件介绍元器件介绍4 2.1 三极管简介 2.2 三极管的工作原理 2.3 tl494 简介 第三章第三章 dc/dcdc/dc 变换器的技术指标及要求变换器的技术指标及要求.8 3.1 dc/dc 变换简介 3.2 降压式斩波电路原理简介 3.3 升压式斩波电路原理简介 3.4 dc/dc 变换器原理图 3.5 dc/dc 变换器工作原理解析 第四章第四章 dc/dcdc/dc 变换器的调试调试与结果变换器的调试调试与结果.13 4.1 调试步骤 4.2 调试结果及波形绘制 2 第五章第五章 心得体会心得体会15 第六章第六章 参考文献参考文献16 3 第一章第一章 绪论绪论 1.1 电力电子学基础介绍 电力电子学是一门将大功率半导体器件、电力电路和控制技术融为一体的 跨于电力、电子、控制之间所新兴学科。它将弱电和强电、微电子电路和电力 电路、微机控制和大型电气装置等紧密联系起来, 为工业现代化、自动化提供 了理论基础, 成为包括铁路牵引动力现代化在内的现代技术革命仗重要技术支 柱。 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电 子技术和数字电子技术都属于信息电子技术，电力电子技术是应用于电力领域 的电子技术，具体的说就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。 本文通过分析电力半导体器件的发展对斩波调速在直流牵引领域应用能推动作 用, 说明迅速提高铁路电力电子学水平、提高电力电子技术科研能力, 对高速 发展我国铁路运输和城市交通豹重要性。 1.2 电力电子在我国的应用 应普及电力电子技术在节能上作用的认识，围绕节能加快电力电子技术的 发展。在人才培养方面，我国高等院校已开始或正在设置电力电子学专业，电 力电子及电力半导体研究生也正在开始或计划培养之中。目前参加电力电子学 会活动的大专院校已有五十余个。在电力半导体器件方面，正如发展前景所作 的估计，也正在向功率、快速、模块、廉价四个方向发展。并根据我国当前情 况，正特别强调与加强可靠性、成品率、全面参数三方面的工作。在电力电子 装置方面，我国当前生产最多的是牵引、电化和电热冶金、直流传动、励磁四 类装置，但正如发展前景所估计的：斩波调速、交流调速、直流输电、静止补 偿等方面，也已有所发展或正在开始工作。 应特别指出的是：电力电子技术对日用电器的发展具有重要影响。实际上， 电力半导体器件中大部分是中小型器件。在国外，日用电器是电力电子技术的 最大市场之一。但由于作为发展阶段己经过去，故未列入发展前景的估计之内。 我国在发展过程中，一直未能重视小功率电力半导体器件及日用电器的生产， 所以和国外差距很大。当前正在大力发展日用机电产品，所以有必要强调电力 4 电子技术为日用电器服务。由于我国民用市场庞大，估计将有一个良好的应用 前景。 第二章第二章 元器件介绍元器件介绍 2.1 tl494 简介 tl494 是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全 部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。tl494 有 so-16 和 pdip-16 两种封装形式，以适应不同场合的要求。其主要特性如下： 主要特征 集成了全部的脉宽调制电路。 片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。 内置误差放大器。 内止 5v 参考基准电压源。 可调整死区时间。 内置功率晶体管可提供 500ma 的驱动能力。 推或拉两种输出方式 2.2 工作原理简述 tl494 是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器， 振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节， 输出脉冲的宽度是通 过电容 ct 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率 输出管 q1 和 q2 受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被 选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大， 输出脉冲的宽度将减小。 5 tl494 脉冲控制波形图 控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放 大器的输入端。死区时间比较器具有 120mv 的输入补偿电压，它限制了最小 输出死区时间约等于锯齿波周期的 4%，当输出端接地，最大输出占空比为 96%， 而输出端接参考电平时，占空比为 48%。当把死区时间控制输入端接上固定的 电压（范围在 03.3v 之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。 脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电 压从 0.5v 变化到 3.5 时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间 中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3v 到（vcc-2.0）的共模输入范围，这 可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平， 它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器 只需最小的输出即可支配控制回路。 当比较器 ct 放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约 束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管 q1 和 q2 的工作。若输出控制端 连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于 脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于 50%时，输出驱 动信号分别从晶体管 q1 或 q2 取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供 反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将 q1 和 q2 6 并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下， 输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。 tl494 内置一个 5.0v 的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高 达 10ma 的负载电流，在典型的 070温度范围 50mv 温漂条件下，该基准 电压源能提供5%的精确度。 tl494 常应用于电源电路当中, tl494 是一种固定频率脉宽调制电路， 它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、 全桥式开关电源。tl494 有 so-16 和 pdip-16 两种封装形式，以适应不同场合 的要求。 tl494是一块脉宽调制集成电路，是大多数微机电源的中心控制部件，如图 1 所示。tl494是16脚双列直插式集成电路，内部含有基准电压产生电路、低电 压停止电路、振荡电路、间歇期调整电路、mop 比较器、两个误差放大器和两 个输出电路等，引脚配线图见图2，内电路框图见图3。 7 以下按引脚的顺序介绍各脚的功能及有关参数。1 脚：误差放大器r 的同 相输入端，耐压值41v。2 脚：误差放大器r 的反相输入端，耐压值41v。3 脚： 反馈端，用于误差放大器输出信号的反馈补偿，最高电压4.5v。常用于提供形 成pg 信号的一个输入信号4 脚：死区时间控制端，通过给该端施加03.5v电 压，可使占空比在%49-0之间变化，从而控制输出端的输出。5 脚：振荡器的定 时电容端。6 脚：振荡器的定时电阻端。振荡频率 7脚：接地端。8脚：为第一路脉宽调制方波输出晶体管的集电极（耐压值 41v、最大电流(250ma)。9脚：为第一路脉宽调制方波输出晶体管的发射极（耐 压值41v、最大电流(250ma)。10 脚：为第二路脉宽调制方波输出晶体管的发射 极（耐压值41v、最大电流(250ma)。11 脚：为第二路脉宽调制方波输出晶体管 的集电极（耐压值41v、最大电流(250ma)。12脚：电源输入端，极限电压41v， 低于7v 电路不启动。13脚：输出方式控制端，当“2 脚与“ 脚相连时两管为 推挽方式输出，当“2 脚与地相连时两管为并联方式输出。并联输出时两管的发 射极与发射极可相连，集电极与集电极可相连，并联后输出电流可达400ma。14 脚：基准5v 电压输出，用于为各比较电路提供基准电压值，最大电流10ma。15 脚：误差放大器2的反相输入端，耐压值41v16 脚：误差放大器2的同相输入端， 耐压值41v。 2.3 tl494 脉冲控制 8 控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差 放大器的输入端。死区时间比较器具有 120mv 的输入补偿电压，它限制了最小 输出死区时间约等于锯齿波周期的 4%，当输出端接地，最大输出占空比为 96%，而输出端接参考电平时，占空比为 48%。当把死区时间控制输入端接上固 定的电压（范围在 03.3v 之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。 脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈 电压从 0.5v 变化到 3.5 时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时 间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3v 到（vcc-2.0）的共模输入范围， 这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平， 它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大 器只需最小的输出即可支配控制回路。 当比较器 ct 放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的 双稳触发器进行计时，同时停止输出管 q1 和 q2 的工作。若输出控制端连接到 参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振 荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于 50%时，输出驱动信号 分别从晶体管 q1 或 q2 取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。 在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将 q1 和 q2 并联使用， 这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲 频率将等于振荡器的频率。 tl494内置一个5.0v的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10ma 的负载电流，在典型的070温度范围50mv温漂条件下，该基准电压源能提供 5%的精确度。 第三章第三章 dc/dcdc/dc 变换器的技术指标及要求变换器的技术指标及要求 3.1 dc/dc 变换简介 dc/dc 变换电路广泛用于可调整直流开关电源和直流电机驱动中。变换器 的输入是由电网电压整流而来的不可控直流电压，变换电路的功能是通过控制 电压 vc 将不控的直流输入变为可控的直流输出，通常把这种电路称为斩波电路 9 或斩波器。 为了简化变换电路的分析，一般作如下假设：开关是理想的，忽略感抗和 容抗的损耗，直流输入电压内阻为零且有很大的滤波能力，变换电路的输出级 有一个滤波器，其负载可以用一个等效电阻来代替，直流电机负载可用一个直 流电压串联一组绕组电阻和电感来代替。 在 dc/dc 变换电路中，可以控制直流输出电压平均值的大小，使其适应于 输入电压和输出负载的特性。在开关式 dc/dc 变换电路中，输入电压是固定不 变的，可以利用控制开关的开通和关断时间来控制输出电压的平均值。最常用 的控制输出电压的方法是在开关频率不变的情况下，改变开关的导通时间即可 控制平均输出电压的大小，这种方法称为脉宽调制法或称为定频调宽法。开关 的导通时间与开关周期之比定义为开关的占空比 d，占空比可根据实际需要进 行调整。 3.2 降压式斩波电路原理简介 降压斩波电路。也称为buck 变换器（ buck converter） 。 降 压式变换电路的输出电压平均值低于输入电流电压平均值，这种电路主要用于 直流可调电源和直流电动机驱动中。假定开关是理想的，负载为纯电阻负载 工作原理，两个阶段 （ 1）t=0 时 v 导通 ，e向负载供电，uo=e，io按指数曲线上 升 （ 2）t=t1时 v 关断，io经 vd 续流，uo近似为零，io呈指数 曲线下降 注意：为使io连续且脉动小，通常使l值较大 流连续时，负载电压平均值 10 负载电流平均值： 电流断续时，uo平均值会被抬高，一般不希望出现 斩波电路三种控制方式 （ 1）脉冲宽度调制（pwm）或脉冲调宽型 t不变，调节 ton （ 2）频率调制或调频型 ton不变，改变t （ 3）混合型 ton和t都可调，使占空比改变 其中 pwm 控制方式应用最多 3.3 升压式斩波电路原理简介 工作原理 假设l值、c值很大 （1） v 通时，e向l充电，充电电流恒为i1，同时c的电压向负载供电， 因c值很大，输出电压uo为恒值，记为uo。设 v 通的时间为ton，此阶段l上 积蓄的能量为ei1ton （2）v 断时，e和l共同向c充电并向负载r供电。设 v 断的时间为 toff，则此期间电感l释放能量为 11 （3） 稳态时，一个周期t中l积蓄能量与释放能量相等 化简得： ，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为 boost 变换器 ；升压比，调节其即可改变uo。将升压比的倒数记作b，即 和导通占空比a有如下关系： 因此，公式可表示为 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 （1）l 储能之后具有使电压泵升的作用 （2）电容 c 可将输出电压保持住 12 3.4 dc/dc 变换器原理图 3.5 dc/dc 变换器工作原理解析 首先通过自激振荡电路把输入的直流电转变为交流电，再通过变压器改变 电压之后再转换为直流电输出， 或者通过倍压整流电路将交流 电转换为高压直流电输出。 主电路 从交流电网输入、 直流输出的全过程，包括： 1、输入滤波器：其作用是将电 网存在的杂波过滤，同时也阻 碍本机产生的杂波反馈到公共 电网。 2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下 一级变换。 3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源 的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越校 4、输出整流与滤波： 13 根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。 控制电路 一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆 变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数 据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。 检测电路 除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪 表数据。 辅助电源 提供所有单一电路的不同要求电源。 第四章第四章 dc/dcdc/dc 变换器的调试调试与结果变换器的调试调试与结果 4.1 调试步骤 (1）三极管基极断开，1 脚的 5.1k 欧电阻断开时，测 5 脚的输出电压 波形。 （2）三极管基极断开，使输出电压断开，脚的 5.1k 欧电阻断开时，由 3 脚外加电压，以 2.5v3.5v 变化时占空比的变化。 （3）1 脚外加电压（4.5v5.1v）代替反馈信号，观察 8、11 端的电压波 形。