电力电子——直流变换器讲解

1、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日共一周院 系 电子信息工程系班 级12 电气 2姓名任 张红兵教研室主任 邓建指导教师目录第一章 绪论 . 11.1 、实训目的和要求 11.2 、电力电子学介绍 11.2.1 . 11.2.2 . 21.2.3 电力电子技术发展及应用 . 21.3 、直流变换器的介绍 3第二章 元器件的选择 . 42.1 元器件介绍 42.1.1 TL494 . 42.1.2 开关 . 72.1.3 电感 . 82.1.4 电容 . 82.2 元器件选择注意事项 102.2.1 电感的

2、选择 . 102.2.2 输出电容的选择 . 10第三章 电路原理 . 123.1 电路原理图 123.2 BUCK电路 . 133.2.1 工作原理 . 133.2.2 波形图： . 13第四章实训结果 . 14第五章 实训心得 . 15附录 A 参考文献 . 16附录 B 元器件清单 . 17第一章 绪论1.1 、实训目的和要求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 ;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 ; 能设计正确的电路 ; 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、1.2 、电力电子学介绍1.2.1 电力电子电路电子电力技术是应用于电力领域、以电力为对象的电子的技术。他横 跨电力、电子和控制的边沿学科，是利用电力电子器件对电能进行交换和 控制的一门技术。它主要研究以普通晶闸管为代表的大功率半导体器件及 由它们组成的可控整流、逆流、交流调压、直流斩波、变频器和无节点开 关等内容，在实际生活中有着广泛的应用的前景。电力电子电路是以电力电子器件为核心， 通过不同电路和各种控制实现对 电能的转换和控制。电子电力电路主要有；（ 1） 交流直流变换电路：把交流电能转换为可调的直流电能的电 路，又称可控整流电路。（ 2） 直流交流变换电路：把直流电能转换为交流电能的电

4、路，又称逆变电路。（ 3） 直流直流变换电路：把固定的直流电能转换成可调的直流电能的电路，亦称直流斩波电路。( 4 ) 交流交流变换电路：把某一频率的交流电能转换成幅值、频率或 相位可调的交流电能的电路。1.2.2 电力电子技术发展趋势可以肯定的说， 在 21世纪初国家发展中， 技术创新变成了企业工作的主导 内容，而发展与建立适合中国国情的电气工业的技术创新机制， 通过电力电子 技术长足进步推动新型电气工业不断升级和进步进而走向世界。 电力电子技术 虽然具有微电子技术的许多共同特征， 如发展变化都非常迅速， 渗透力和创新 表现十分突出， 生命力格外旺盛， 处于阳光产业地位， 并与其它学科相互融

5、合 和发展产生新的机遇， 而电力电子技术还有其自身一些独具特色的地方， 如高 电压、大容量及控制功率范围大， 因此技术的创新难度在于必须跨越高电压大 功率这一关卡， 及其技术的综合难度， 而电力电子器件工作的可靠性是其极其 重要的一个技术指标。 为此电力电子技术的创新是与多种学科相互渗透并对各 种工业领域有着极强的渗透性。因此电力电子技术与国家的基础产业关系密 切，并与国家发展的各项方针及产业政策相配合的要求在 21世纪会显得越来越 强烈。1.2.3 电力电子技术发展及应用现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统 电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向改变

6、。电 力电子技术作为一门高技术学科，由于其在节能、减小环境污染、改善工作条件等方面有着重要作用，现已经广泛的应用于传统工业和高新技术产 业。1.3 、直流变换器的介绍直流电源变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种 技术被应用于无轨电车，地铁列车，电动车的无极变速和控制，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，这也对直流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

7、。目前仍以 PWM型直流产品为主 流产品。直流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。第二章 元器件的选择2.1 元器件介绍2.1.1 TL494TL494 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

8、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 2.1.1 3。图 2 3 TL494 脉冲控制波形图控制信号由集成电路外部

9、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

10、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

11、，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 0 70温度范围 50mV温漂条件下， 该基准电压源能提供 5%的精确度图 2-4 TL494 内部电路方框图 表 2-1 TL494 的极限参数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R JA80/W工作结温TJ125工作环境温度

12、TL494B-40 +125TL494CTA0+70TL494I-40 +85NCV494B-40 +125额定环境温度TA402.1.2 开关电子开关只有快速地开通、快速地关断这两种状态。只有快速状态转换引起的损耗才小，目前使用的电子开关多是双极型晶体管、功率场效应管，逐步普及的有 IGBT管，还有各种特性较好的新式的大功率开关元件。2.1.3 电感电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流，电压相位不同，因此 理论损耗为零。电感常为储能元件，也常与电容公用在输入滤波器和输出 滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过它上的电流有 “很大的惯性”。换句话说，由于“磁通连续性” ，电感

13、上的电流必须是连 续的，否则将会产生很大的电压尖峰波。电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题，多数情况下，电感工作在线 性区，此时电感值为一常数，不随端电压与流过的电流而变化。但是，在 开关电源中有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起的两个分布参 数的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的；其二是分布式杂散电容， 随绕线工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大，随频率提高而渐显 出来，到一频率以上时，电感也许变成电容的特性了。如果将杂散电容集 成为一个，则从电感的等效电路可看出在一角频率后的电容性。2.1.4 电容电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储能和传递电能的 元件。但对频率的特性

14、却刚好相反。应用上，主要是“吸收”纹波，具平 滑电压波形的作用。实际上的电容并不是理想的元件。电容器由于有介质、 接点与引线，形成一个等效串联内电阻。这种等效串联电阻在开关电源中 小信号控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽视的作用。2.1.5 续流二极管（1）续流二极管的工作原理图 2-5 续流二极管原理图上图给出了续流二极管的典型应用电路，其中电阻 R 视情况决定是否需 要。储能元件在 VT导通时，电压为上正下负，电流方向从上向下。当 VT关断 时，储能元件中的电流突然中断， 此时会产生感应电势， 其方向是力图保持电 流不变， 即总想保持储能元件电流方向从上向下。 这个感应电势与电源

15、电源的 供应商电压迭加后加在 VT两端，容易使 VT 击穿，为此可以加上 VD，这样就 可以将储能元件产生的感应电势短路掉，从而达到保护VT 的目的。续流二极管都是并联在线圈的两端， 线圈在通过电流时， 会在其两端产生 感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。 当反向电压高于原件的反向击穿电压时， 会把原件如三极管， 等造成损坏。 续 流二极管并联在线两端， 当流过线圈中的电流消失时， 线圈产生的感应电动势 通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。 丛而保护了电路中的其它原件的 安全。在电路中反向并联在继电器或电感线圈的两端， 当电感线圈断电时其两 端的电动势并不立

16、即消失， 此时残余电动势通过一个二极管释放， 起这种作用 的二极管叫续流二极管。（2）续流二极管的作用续流二极管通常和储能元件一起使用， 其作用是防止电路中电压电流的突 变，为反向电动势提供耗电通路。 电感线圈可以经过它给负载提供持续的电流， 以免负载电流突变，起到平滑电流的作用！在开关电源开关电源的供应商中， 就能见到一个由二极管和电阻串连起来构成的的续流电路。 这个电路与变压器 原边并联。当开关管关断时， 续流电路可以释放掉变压器线圈中储存的能量， 防止感 应电压过高，击穿开关管。2.2 元器件选择注意事项2.2.1 电感的选择对于便携设备来说， 电感所占的空间往往最大， 同时也增加了开关

17、调节器 的成本。电感值越小，电感的物理尺寸就越小，瞬态相应就越快，但同时也将 产生较大的纹波电流， 从而降低调节器的效率， 也使输出电压的纹波变大。 理 论中，最小的电感值应使电路工作在临界传导状态， 即负载电流最大时电感电 流在每个周期正好回零。实际应用中，通常结合 LIR （电感纹波电流与设计的 最大负载电流之比） 、输入 / 输出电压、工作频率以及最大负载电流选择电感值。 通常建议将 LIR 值选取介于 20% 50%之间。2.2.2 输出电容的选择选择输出电容应考虑到两点。 一是输出电容的容值； 二是输出电容的等效10 串联电阻（ ESR）。电容应具有一定的容值，以确保输出的稳定。 E

18、SR 必须足够 低，以降低输出电压的纹波。参考公式 2。输出电容的 ESR大小取决于能接受 的输出纹波电压。 降压控制器的纹波电压大小大约等于输出电容的 ESR乘以电 感的纹波电流。实际选取电容时， 除了与满足低 ESR要求所需要的物理尺寸有关外， 还与 电容器的化学类型有关。 因此， 通常在选择电容时， 首先应考虑的是 ESR和额 定电压值，而不是容值的大小（这一原则是用于钽、 OS-CON和其他类型的电 解电容）。2.2.3 输入电容的选择输入电容可以降低电源侧的电流尖峰以及 IC 的开关噪声。输入电容的阻 抗应尽可能小。 建议采用陶瓷电容， 因为陶瓷电容具有很小的尺寸以及很低的 ESR。

19、DC/DC转换器的外围元件选取，直接关系到电路的电气性能（包括电压输 出纹波、输出带载能力、功耗） 、体积、成本等多方面因素。因此必须在设计 初期就应该对电源的要求有清晰的了解，为设计留下充足的余量。11第三章 电路原理3.1 电路原理图图 3-1 电路原理图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

20、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。

21、123.2 BUCK电路3.2.1 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。3.2.2 波形图：BUCK 电路的M图 3-2 原理图13第四章实训结果表 4-1输入电压 /V输出电压 /V25V4.99920V4.99915V4.998由表格数据可得此电路为降压斩波电路，在开关导通期间，二极管反向偏置，由输入提供的能量加到负载和电感电容上，在开关关断期间，电 感与二极管构成电流通路，

22、并将电感中储存的能量传给负载。由数据可知， 若输出端上的滤波电容很大，则输出电压可近似为常数。图 4-1 通用板正面图图 4-2 通用板反面图14第五章 实训心得通过本次实训，体会到了电路焊接前电路布置草图的重要性，事先作 图排布原件，安排电路连线走向，非常重要，切不可焊一步是一步。而且 基本掌握了 TL494控制的 Buck DC/DC降压型变换器的电路工作原理及整体 电路的工作过程。同时，也对 TL494 芯片的内部电路的原理有了一定的了 解。为日后步入社会岗位做了准备。同时通过本次对Buck 变换器的设计，知道了在做课程设计的时候，必须 要先理解设计的目的和要求，通过计算来确定所需要使用的元器件。在实 际的电路焊接中，应该先对 整个电路板进行布局，合理的安排元件的位置。然后进 行接线、焊接，在焊接时要注意有些器件容易被烧坏。 有些电路要加入一些保 护电容来避免元件被烧坏。在焊接完成后，运行电路对每个功能进行检验。 如果存在问题就首先检查电路是否存