DC-DC单端反激式变换电路设计实验2013-6-27课件

1、电气学科大类 10 级信号与控制综合实验课程实 验 报 告(基本实验一:检测技术基本实验)姓 名 学号 专业班号 同组者1 学号 专业班号 同组者1 学号 专业班号 指导教师 日 期 2013年6月24日 实验成绩 评 阅 人 实验评分表基本实验实验编号名称/内容（此列由学生自己填写）实验分值评分设计性实验实验名称/内容实验分值评分实验四十八、DC/DC单端反激式变换电路设计实验设计性实验实验名称/内容实验分值评分教师评价意见总分目录实验四十八、DC/DC单端反激式变换电路设计实验2实验四十八、DC/DC单端反激式变换电路设计实验1一、实验目的1二、实验目标1三、实验方案综述1四、实验步骤4五

2、、实验结果及分析4六、实验小结7参考文献89实验四十八、DC/DC单端反激式变换电路设计实验一、实验目的1.了解自激式单端反激变换电路的原理，并掌握其设计方法；2.熟练掌握光耦隔离器件的原理及使用方法；3.利用光耦隔离器件为单端反激变换电路设计一个反馈回路。二、实验目标1.额定输入电压为50V，额定输出电压为10V。2.利用“实验电路板B07”验证单端反激电路的工作及隔离变压器的反馈效果；3.自主设计一个光耦反馈回路，并能实现输入电压在40-70V变化时输出电压保持为额定电压的功能。三、实验方案综述(一)自激式单端反激变换电路的基本工作原理图1自激式单端反激变换电路上图1为自激式单端反激变换电

3、路，当V1加到输入端时，通过启动电阻RB和晶体管VT1的基射极给VT1的基极一个正的偏置电压，使VT1导通，变压器T1的初级绕组流过励磁电流，而次级V2因二极管的阻挡而不给负载供电，存储能量。此时，绕组NP电压给电容CB充电并供给VT1 基极电流，最终使VT1饱和导通。由于ton期间能量全部聚集在变压器中，所以初级绕组电流持续增加，并激励磁通增加，最终使变压器磁路达到饱和，磁通变化率为0，因而感应到基极绕组NP的电压为零，此时电容CB上电压左负右正并通过绕组NP-VT1的基极-基极电阻-电容CB构成的回路放电，放电电流抽取了VT1的基极电流，使变压器初级电流减小，于是感应到绕组NP上的电压与电

4、容CB上的电压正方向一致，从而加速了抽取基极电流的过程，使VT1加速关断。当VT1关断后，次级绕组向负载供电。当变压器中的能量放完后，电路回复到初始状态，重复上述过程。由于本次试验采用了“实验电路板B07”，因而参数部分的设计可以略去。(二)光耦及光耦反馈电路1.光耦的工作原理光耦是以光为媒介把输入端信号耦合到输出端，来传输电信号的器件。通常将发光器和受光器封装在同一管壳内，将它们的光路耦合在一起，如下图2所示，当输入端1、2加电信号时，发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端3、4流出，从而实现了“电-光-电”的转换。由于光耦具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输入输出

5、之间绝缘、单向传输信号以及传输信号频率高等优点，因而被广泛应用。本实验采用的是光耦4N25。其发光二极管的正向压降典型值为，集电极和基极击穿电压为，集电极和基极反向击穿电压为，正向电流最大平均值为。电流传输比与直流输入电流的特性曲线如下图所示。a.符号 b.传输特性 曲线图2光耦4N252.利用光耦设计的反馈回路为了能更好地说明该反馈回路的工作原理，有必要先介绍一下稳压管TL431，其符号及内部方框图如下图3所示。图中电路图形符号中A 为阳极，使用时需要接地。K 为阴极，需要限流电阻接电源。UREF是输出电压Uo 的设定端，外接电阻分压器。TL431 的内部含有一个2.5V 的基准电压， 所以

6、当在参考端R引入输出反馈时， 器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。 当输出电压UO通过电阻R1、R2分压得到UI并反馈至参考端时，由内部方框图知若UO增大，则反馈量增大，TL431 的分流也就增加，从而又导致Uo 下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在UI等于基准电压处稳定。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431 工作的必要条件，及通过阴极的电流要大于1mA。 a.符号 b.内部方框图图3稳压管TL431设计的光耦反馈原理图如下图4。其中红色方框内的部分为设计的光耦反馈回路，其他部分为“实验电路板B07”上的电路。图4光耦反馈回路图当输出电压发生波动时， 经过电阻R4、

7、R5分压后得到取样电压与TL431 中的2.5V带隙基准电压进行比较，在阴极上形成误差电压，使光耦发光器LED 工作电流生产变化，从而使光耦受光器的电流发生相应的变化，该变化会影响开关管中基射极间的电流，从而改变了开关管的导通占空比，使输出电压保持稳定。例如，当输出电压增大时，由TL431的性质可知其流过的电流增大，从而流过光耦4N25受光器的电流增大，又该电流的方向与开关管的导通电流方向相反，使导通占空比减小，最终是输出电压降到初始值。3.参数设计电阻R4、R5的选取R5的值不是任意取的，由于TL431 参考输入端的电流，一般此电流为2A 左右，为了避免此端电流影响分压比和避免噪音的影响，一

8、般取流过电阻R5 的电流为参考段电流的100倍以上，所以此电阻要小于2.5V/200A=12.5K。本实验选择R5=10k。由于R4、R5满足下面的公式(1) (1) 式中为TL431内部参考电压，为输出端电压，则可以求得。电容的C1选取电容C1的作用是频率补偿，可以提高TL43l 的瞬态频率响应，典型值为0.1F。电阻R1的选取电阻R1的选取原则为在限制流过光耦和TL431的电流使其不至于烧毁的同时，使TL431的工作电流在其最小值之上，以维持其正常工作。由于TL431 最小工作电流，光耦发光二极管的正向压降典型值为则有。此外光二极管能承受的最大电流，TL431 为100mA，因此。为了使反

9、馈效果更佳， 一般使流过发光二极管的电流尽可能大，这样可以避免光耦工作在非线性区，同时反馈电流也会更大，从而可迅速地改变开关管的占空比，使输出电压更好地维持在额定电压附近。本实验取。电阻R2的选取其实电阻R2的作用是给TL431的额外的注入一个电流，避免TL431因注入电流过小而无法正常工作。实际上若电阻R1的选取得当，电阻R2可以省掉，由于实际实验过程可能要求R1很大，使TL431的注入电流不满足要求，因此最好接上R2，然而接上R2之后要注意此时R1不能太小，因为TL431是由R1和R2共同提供电流的。稳压管为了确保光耦能够安全工作，可以在光耦受光器的两端并上一个5V的稳压管，如图4所示。四

10、、实验步骤1.开环实验断开开关JP1，合上开关JP2，接好电源后，调节输入电压为50V，示波器CH1接TP5，CH2接TP2，接然后调节滑动变阻器RP1(改变RP1可以改变开关占空比)，使TP5输出电压为10V。记录此时数据以及波形。(2)保持滑动变阻器RP1的位置不变，改变输入电压的大小（注意用万用表测TP9的电压，使其不超过40V），记录此时TP5的实验波形。2.隔离变压器闭环实验(1)合上开关JP1，保持滑动变阻器RP1的位置不变，示波器CH1接TP5，CH2接TP2。(2) 改变输入电压的大小，记录此时TP5的实验波形。3.光耦闭环实验(1)断开开关JP1，保持滑动变阻器RP1的位置不

11、变，按照图4接好光耦反馈电路，示波器CH1接TP5，CH2接TP2。(2)改变输入电压的大小，记录此时TP5的实验波形。五、实验结果及分析1.实验数据表格表格中 (2) 表格 1实验数据 输入 输出输入电压Vin/V40506070开环时Vout/V5.78 10.00 14.40 18.30 42.2%0.0%44.0%83.0%变压器闭环Vout/V7.92 10.50 12.30 13.10 20.8%5.0%23.0%31.0%光耦闭环Vout/V7.51 10.10 10.10 10.10 24.9%1.0%1.0%1.0%2.实验电压波形(1)开关管基射电压波形 a.无反馈 b.有

12、反馈图5开关管基射电压波形(2)开环实验 a.输入电压40V b. 输入电压50V c.输入电压60V d.输入电压70V 图6开环输出电压波形(3)变压器闭环实验 a.输入电压40V b. 输入电压50V c.输入电压60V d.输入电压70V 图7变压器闭环输出电压波形(4)光耦闭环实验 a.输入电压40V b. 输入电压50V c.输入电压60V d.输入电压70V 图8光耦闭环输出电压波形3.实验数据分析在实验过程可以清楚地观察到当改变滑动变阻器RP1的阻值时，开关管的占空比发生了变化，这是因为变阻器RP1的阻值变化时，电容回路的时间常数变化了。此外引入反馈，占空比也会变化，如图5所示

13、，且输入电压变大时占空比变小，输入电压变小时，占空比变大。在闭环实验中，变压器的反馈效果没有光耦的反馈效果好，由图7和图8对比即可得到，而表格1的数值则更直观；这是因为稳压管VD4、VD5的稳压效果没有TL431好，更重要的是稳压管的稳压数值过大。在开环实验中，我曾经留意过电阻R3右端的电压几乎无法超过稳压幅值10V，这意味着反馈实验过程中稳压管没有被击穿，其反馈仅仅靠的是泄露电流，而泄露电流的数值很小，因而反馈效果很差。而光耦反馈则不同，它更加灵敏，一旦输出电压不为10V，TL431内置放大器就会将这一效果放大，使流过光耦的电流迅速增大，反馈至开关管使其占空比相应的变化，由于反馈电流大，因而

14、效果很好。此外，还有一个现象，就是输如电压小于额定电压时，无论变压器还是光耦反馈的效果都会变差。由于在R3右端的电压减小时，稳压管VD4、VD5的泄漏电流变化不大，因而变压器反馈效果变化不大。但是对于光耦这将是一个灾难！因为输入电压降低，会使输出电压降低，于是流过TL431的电流会迅速减小，由图2b可以知道4N25的CTR将会很小，也就是说输入电压继续减小时，反馈的电流几乎不变，再加上流过光耦的电流不能反向，因而光耦的反馈效果很差，再加上光耦中的三极管的IEBO比稳压管VD4、VD5的泄漏电流小，因而反馈效果比变压器反馈差。六、实验思考题1.本实验室提供的实验模块（实验电路图B07）采用了变压

15、器隔离的方式获得反馈电压，实现负反馈PWM控制。这样的反馈实际上不是直接反馈的输出电压，他与本实验示例中采用光耦隔离方式实现的反馈方式有什么不同？答：示例中的光耦是直接反馈输出电压的，当输出电压变化时，会通过AN1431放大并影响通过光耦的电流，经光耦的转换进而影响PWM控制；而变压器反馈并不是通过对输出电压直接反馈，而是检测隔离变压器的二次绕组的电压变化来控制PWM，间接地控制输出电压。2.开关电源和线性电源的区别是什么？各用在什么场合？答：线性电源电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控制电流和保护电路等，线性电源纹波小，而且不像开关电源那样有干扰和噪音，但是它有体积庞大而笨重的变压器和

16、滤波器，而且转换效率很低，一般只在小功率电源中采用，而且有逐渐被开关电源取代的趋势。开关电源主要包括输入电网滤波器、输出整流滤波器、主电路、控制电流和保护电路等，由于工作频率高，滤波器体积很小，但是输出电压有一定的纹波而且易受到干扰，又开关损耗小，转换效率高故主要用于大功率电源中。3.本实验电路若采用光耦隔离方式，主要优点是什么？采用光耦应注意哪些问题？答：光耦的体积小、重量轻而且抗电磁干扰能力强。采用光耦时要注意其发光二极管的正向压降，集电极和基极击穿电压为，集电极和基极反向击穿电压为，正向电流最大平均值为。电流传输比等参数是否在规定范围内，以免光耦损坏。七、实验小结这次综合实验让我从总体上

17、把握了设计一个实验的思路，让我养成了良好的设计实验的习惯。这次控制实验不仅提高了我的动手能力，也提高了我发现问题和排除问题的能力，总而言之感想颇深。 一、实验设计过程很艰苦，但是让自己的想法得以实现让我乐于艰苦实验前的准备是相当重要的。由于自激式单端反激变换电路我们是第一次接触，课本上对其阐述不够详尽，在加上我们所学的知识有限，这无疑加大了设计的难度。为了设计好实验，我不得不查阅大量资料，不得不从浩如烟海的资料里筛选有用的信息。甚至，我们还去请教我们的电力电子老师王学华老师，让他给我们讲解电路的工作原理。回来之后经过再三地咀嚼，我们终于提出了一套可行的方案，然后投入其中，最终我们设计好了光耦反

18、馈电路。合上电源并调节输入电压时，当我们发现输出电压稳住了的那一刻，我们都情不自禁地击掌而笑！毕竟我们的努力有了回报。二、保持好奇心很重要好奇心会促使你去发现问题，去解决问题。在设计实验过程中，我保持着一颗好奇心，对任何问题都不放过。当我们做变压器反馈时，我们发现变压器的反馈效果很差，为此我们相当好奇。后来经过分析与验证才发现整个实验过程中稳压管并没有击穿，反馈效果当然很差。其次对于光耦反馈是引到电阻R3的左边还是右边，我们做了一番讨论，决定引到电阻R3的左边，这是因为引到左边可以直接对流过开关管的电流进行控制，若引到了右边则为间接控制，会使该处电压降低，于是电阻R5会为开关管提供更多的电流，这意味着反馈电流被削弱了，反馈效果会变差，这点我们应经在实