电力电子实训.doc

苏 州 市 职 业 大 学实习（实训）报告 名称 电力电子技术课程实训 直流变换器 2013年12月16日至2013年12月20日共一周学院(部) 电子信息工程学院 班 级 12电气2 姓 名 王双 学院(部)负责人 张红兵 系 主 任 邓建平 指导教师 高金生 目录第一章 绪论11.1直流-直流(DC/DC)变换器11.2 BUCK电路2第二章 元器件介绍 TOC * MERGEFORMAT 32.1三极管32.2 TL494脉宽调制控制电路5第三章DC/DC变换器的设计103.1.实习（实训）目的和要求103.2实训器材及仪表103.3实习（实训）内容103.3.1原理图分析113.3.2 电感(L1)、二极管(CR1)、电容(C2)的选择12第四章 实验总结134.1实验结果134.2 实验总结13附录14参考文献15第一章 绪论1.概要 DC-DC 变换器这种技术被应用于无轨电车，地铁列车，电动车 的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳，快速响 应的性能，并能同时收到节约电能的效果。开关电源以其效 率高、功率密度高而在电源领域中占主要地位，为了以更低 的功耗获得更高的速度和更加的性能，半导体器件正在向1V 工作电压发展，这也对DC/DC 变换器提出了更高的要求。除 了需要增添更多的功能外，还需要延长电池的寿命，并缩小 系统体积。目前仍以PWM 型DC/DC 产品为主流产品。 DC-DC 变换器是通信设备中最常用的功能电路之一，其 质量和效率直接影响通信设备的正常运行。1.1直流-直流(DC/DC)变换器DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制（1）Buck电路降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui，极性相同。（2）Boost电路升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，极性相同。（3）BuckBoost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。（4）Cuk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。还有Sepic、Zeta电路。上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。1.2 BUCK电路 工作原理t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。BUCK电路的一般电路图和波形图如以下所示：c) 电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 电路图 图1-1 原理图第二章 元器件介绍2.1三极管 三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管,晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关。a.按材质分: 硅管、锗管b.按结构分: NPN 、 PNPc.按功能分: 开关管、功率管、达林顿管、光敏管等.d. 按功率分：小功率管、中功率管、大功率管e.按工作频率分：低频管、高频管、超频管f.按结构工艺分：合金管、平面管g.按安装方式:插件三极管、贴片三极管1）三极管的封装形式和管脚识别常用三极管的封装形式有金属封装和塑料封装两大类，引脚的排列方式具有一定的规律，底视图位置放置，使三个引脚构成等腰三角形的顶点上，从左向右依次为e b c；对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，则从左到右依次为e b c。2）晶体三极管的电流放大作用晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将Ic/Ib的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。3）晶体三极管的三种工作状态a.截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。b.放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数=Ic/Ib，这时三极管处放大状态。c.饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。根据三极管工作时各个电极的电位高低，就能判别三极管的工作状态，因此，电子维修人员在维修过程中，经常要拿多用电表测量三极管各脚的电压，从而判别三极管的工作情况和工作状态。3)使用多用电表检测三极管a.三极管基极的判别：根据三极管的结构示意图，我们知道三极管的基极是三极管中两个PN结的公共极，因此，在判别三极管的基极时，只要找出两个PN结的公共极，即为三极管的基极。具体方法是将多用电表调至电阻挡的R1k挡，先用红表笔放在三极管的一只脚上，用黑表笔去碰三极管的另两只脚，如果两次全通，则红表笔所放的脚就是三极管的基极。如果一次没找到，则红表笔换到三极管的另一个脚，再测两次；如还没找到，则红表笔再换一下，再测两次。如果还没找到，则改用黑表笔放在三极管的一个脚上，用红表笔去测两次看是否全通，若一次没成功再换。这样最多没量12次，总可以找到基极。b.三极管类型的判别： 三极管只有两种类型，即PNP型和NPN型。判别时只要知道基极是P型材料还N型材料即可。当用多用电表R1k挡时，黑表笔代表电源正极，如果黑表笔接基极时导通，则说明三极管的基极为P型材料，三极管即为NPN型。如果红表笔接基极导通，则说明三极管基极为N型材料，三极管即为PNP型。2.2 TL494脉宽调制控制电路 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：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。图2-1 TL494外形图 图2-2 TL494引脚图2.2.1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，其振荡频率如下： 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。参见图2-3。图2-3 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。 2-4 TL494内部电路方框图TL494的极限参数名称代号极限值单位工作电压Vcc42V集电极输出电压Vc1,Vc242V集电极输出电流Ic1,Ic2500mA放大器输入电压范围VIR-0.3V+42V功耗PD1000mW热阻RJA80/W工作结温TJ125工作环境温度TL494BTL494CTL494INCV494BTA-40+1250+70-40+85-40+125额定环境温度TA40 表2-1 TL494的极限参数2.2.2 TL494脉宽调制控制电路应用 图2-5 应用电路1 图2-6 应用电路2 图2-7 单端连接输出和推、拉（电流）结构第三章DC/DC变换器的设计3.1.实习（实训）目的和要求a) 理论上掌握并巩固常用的基本的DC/DC变换器的原理.b) 理论上掌握常用的电力电子器件的特性及其驱动，常用的控制芯片的功能特性c)能设计正确的电路d)能进行很好的焊接与组装，达到一定的工艺要求,正确的调试与测量3.2实训器材及仪表万用表，调压器，实训用电路板，制作用元器件，工具等。3.3实习（实训）内容a)查资料，理论进一步学习分析，根据参数要求进行电路分析和的设计 b)组装焊接 c)电路调试与测试 1)电路原理图如图所示图3-1 电路原理图3.3.1原理图分析TL494电压型控制的Buck变换器是基于TL494芯片控制Buck DC/DC进行降压变换的。它是通过采样输出的电压与14脚输出的5V的基准电压做比较。输入到误差放大器1内，进行误差放大。经过TL494内部电路。把误差电压转换成脉冲信号从8脚和11脚输出。由于8脚和11连接在一起。所以输出脉冲电压得到了提高。经过150欧电阻加到TIP32的基极。但由于11脚输出脉冲无法驱动TIP32正常工作。所以在TIP的基极接一个上拉电阻。使TIP正常工作。震荡的实现：它是通过5脚对地接一个0.001uF的电容。6脚对地接一个47K的电阻。构成的一个震荡环节。产生一个锯齿波电压。降压的实现：它是通过控制TIP32的导通和关断来改变输出电压的大小。在经过滤波稳压后输出。保护电路的实现：它是通过0.1欧电阻上的电压来控制TL494的工作。0.1欧上的电压如果过大。会使误差放大器2工作。放大0.1欧电阻上的电压。使电路不工作，进入保护状态。实物图如图3-2所示：图3-2 实物图3.3.2 电感(L1)、二极管(CR1)、电容(C2)的选择1. 电感量：大小选择主要由开关频率决定，大小会影响电源纹波;额定电流，电感的内阻选择由系统功耗决定。升压型直流-直流(DC/DC)变换器2. 二极管：通常都用肖特基二极管。选择时要考滤反向电压，前向电流，一般情况反向电压为输入电源电压的二倍，前向电流为输出电流的两倍。3. 电容：电容的选择基于开关的频率，系统纹波的要求及输出电压的要求。容量和电容内部的等效电阻决定纹波大小(当然和电感也有关)。第四章 实验总结4.1实验结果表4-1为实验数据：输入电压12V15V37V输出电压5.0V5.029V5.034V 表3-1 实验数据根据DC/DC变换器电路原理图和布线图进行焊接、制作、调试，其过程写入实训报告。4.2 实验总结此次实训的目的是（1）理论上掌握并巩固常用的基本的DC/DC变换器的原理，包括基本的主电路和常用的控制电路(2)理论上掌握常用的电力电子器件的特性及其驱动，常用的控制芯片的功能特性(3)求掌握焊接技术、测试技术、调试技术、排故技术。焊接电路前，需要了解实训会用到哪些仪器和电路元件。如：万用表，实训用电路板，制作用元器件，工具等,能进行很好的焊接与组装，达到一定的工艺要。还要看懂DC/DC变换器的设计（电路原理图）。还要了解各个元器件的作用,注意焊接的安全问题， 焊接时要注意人身安全，工作中要防止触电、烫伤。不要任意乱甩焊锡。工作场所布置要整齐，要备有烙铁架，不要将烙铁放在木板或桌面上。特别是离开工作场所时一定要拔下烙铁