华中科技大学电力电子实验

1、信号与控制综合实验电力电子实验报告电气学科大类 2011 级信号与控制综合实验课程实 验 报 告(基本实验四: 电力电子基本实验)姓 名 姚佳康 学 号 U201111749 专业班号 1101 同组者1 李昊晔 学 号U201111751专业班号 1101 同组者2 章晓杰 学 号U201111754 专业班号 1101 指导教师 李 军 日 期 2014年6月18日 实验成绩 评 阅 人 实验评分表基本实验实验编号名称/内容实验分值评分PWM信号的生成和PWM控制的实现DC/DC PWM升压降压变换电路性能的研究三相桥式相控整流电路性能的研究DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能的研究设计

2、性实验实验名称/内容实验分值评分带功率因数校正的整流电路设计及研究教师评价意见总分目 录实验二十八 PWM信号的生成和PWM控制的实现11、 实验目的12、 实验原理及方案设计13、 实验设备44、 实验步骤55、 实验结果与分析56、 实验思考题7实验二十九 DC/DCPWM 升压、降压变换电路性能研究91、 实验目的92、 实验原理与方案设计93、 实验设备124、 实验步骤125、 实验结果136、 实验思考题15实验三十 三相桥式相控整流电路性能的研究181、 实验目的182、 实验原理与方案设计183、 实验设备214、 实验步骤与结果215、 实验思考题25实验三十一 DC/AC单

3、相桥式SPWM逆变电路性能的研究271、 实验任务272、 实验原理及方案设计273、 实验设备304、 实验步骤305、 实验结果与分析336、 实验思考题34实验四十五 带功率因数校正的整流电路的设计及研究361、 实验目的362、 实验原理及方案设计363、 实验设备434、 实验步骤435、 实验结果分析44实验心得与体会46参考文献47实验二十八 PWM信号的生成和PWM控制的实现1、 实验目的（1）熟悉PWM集成电路芯片TL494的基本功能和使用；（2）基于PWM芯片的控制电路设计。（3）调试验证电路的正确性（4）分析并验证基于集成PWM控制芯片TL494的PWM控制电路的基本功能

4、（5）掌握PWM控制芯片的工作原理和外围电路设计方法。2、 实验原理及方案设计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：（参考PCB资源网的学习资料）（1）TL494主要特征TL494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28-1 TL494外形图图28

5、-2 TL494引脚图（2）TL494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：(28 - 1)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。（3）TL494脉冲控制图28-3 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

6、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

7、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

8、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。图28-4 TL494内部电路方框图图28-5 TL494单端连接输出和推挽（电流）结构3、 实验设备（1）PWM控制芯片TL494等，以及有关的外围电路元件；控制电源 （2）面包板或通用版；或具有PWM芯片及外围电路的实验板 （3）示波器 4、 实验步骤本实验采用单路输出，以载波20kHz进行试验，将端口13接地。（1）PWM脉宽调节：软启动后，在V1端口施加电压作为反馈信号Vf，给定信号Vg=2.5v，改变V1端口电压大小，即可改变V3,从而改变输出信号的脉宽。V3越大，

9、K越大，C=J+K越大，脉宽越小；反之脉宽越大。记录不同V1下的输出波形并与预计实验结果比较。（2）软启动波形：为防止变换器启动时较大的冲击电流，控制芯片TL494和其他控制芯片相似也采用了软启动。在启动时，为防止变换器冲击电流的出现，驱动脉宽应从零开始增大，逐渐变宽到工作所需宽度。本实验中此功能由脉冲封锁端口电位的逐渐开放来实现，电位又打逐渐变小，便可实现软启动。为对控制芯片的该控制过程有更明确和清晰的认识，我们可以观察芯片启动过程中“启动和保护端口4”（TP3）的电压波形变化并与实验前预测进行比较。（3）观察TL494控制芯片的脉冲封锁功能：本实验中脉冲封锁很容易实现，可以通过增大V4电位

10、实现，进行简单的观察，可以通过改变JP2接法增大V4电位，使得V4+0.12>Vct，则输出立即封锁。（4）死区时间测量：使反馈电压为零，即V3=0，则K=0，调节V4电位，观察并记录PWM输出波形，并测量死区时间。（5）观察PWM控制芯片TL494的过流保护功能：通过在I1和I2端口施加可变电压，观察封锁时间（相关封锁指示灯亮，输出变为零），并记录封锁时的施加电压，认识芯片TL494的限流保护功能。5、 实验结果与分析（1）实验板初步检测在未开机的情况下，我们的第一块实验板HL1、HL2皆为熄灭（但是实际后续保护中存在一定问题，接下来保护分析中将提到）。替换的第二块实验板上HL1、HL

11、2两发光二极管皆亮。说明此时两个SR锁存器端接二极管端口输出皆为高电平，未能有效归零。我们采用接地线，分别点触两锁存器的3、11，使输出重新归零，HL1、HL2熄灭。TP4有锯齿波输出为：频率17.61KHz，幅值约为3V。频率为9.191KHz，幅值约为2.8V。图28-6 20KHz工作方式下输出锯齿波图28-7 10KHz工作方式下输出锯齿波（2）软启动观测图28-8 JP2=1&2的波形图28-9 JP2=3&4的波形图28-10 JP2=5&6的波形 JP2跳线帽接12处。TP3上电压波形变化，近似于电容充电电压波形形成互补，即实际随着实验板上电容上的电压积累

12、，TP3上测得的电阻分压逐渐减小，与电容充电变化相反，实现了软启动的需求。 JP2跳线帽接34处。TP3上电压波形发生变化，电容积分时间变短，最终的电阻分压情况发生变化，这说明不同的软启动要求对元件参数的设定不同，导致最终的运行效果有一定差异。 JP2跳线帽接56处。可调节滑动变阻器来调节软启动的缓冲时间以及最终得分压比。通过改变JP2上的电阻来改变PWM电路的软起动效果，开机后，电阻分压比立即变化，但由于电容电压不能突变，因此死区电压VTP3只能逐渐衰减至稳态值，实现软启动的功能。（3）死区控制图28-11 死区时间测量对于芯片TL494而言，其死区门限电压由控制。理论上，当时，封锁输出信号

13、。因而V4越大，死区将会越大。实际测量中，TP3输出即为V4的大小，显然，随着V4的增大，输出反向波形的脉宽越来越小。分析跳线开关JP2置于不同位置时的曲线，发现当改变跳线开关JP2对应电阻时，死区电压衰减速度不一样，而且最终的稳态值不一样。6、 实验思考题（1）如何验证你设计的PWM控制电路具有稳压控制功能？答：可以使用直流稳压电源在电压反馈端输入一直流电压，调节变阻器RP1的大小，使得输入芯片LS4941号管脚的反馈电压V+接近于V-,观测V+变化时输出的反馈电压VF的大小。V-端电压固定于2.5V左右，由于反馈放大器放大倍数高达39倍，所以当V+的电压在2.4V至2.5V变化时输出的反馈

14、电压即发生改变，进而由于VF电平的变化，会使得输出脉冲电压的占空比发生改变。（2）如何验证你设计的PMW控制电路所具有的保护功能？答：保护功能包括输入过电流保护以及电源输入过电流与输出过电流的封锁功能。可以在电流反馈I1端加入一直流电压模拟输出电流。一方面当直流电压增大时会使得芯片启动过电流保护功能使得输出的脉冲电压占空比减小。当直流电压继续增大时，外围电路启动过电流封锁功能，输出的电压占空比为0，同时红灯亮，提示过流环节出现的位置。可以在电流反馈I2端加入一直流电压模拟电源侧的输入电流，当直流电压增大至一定值时，外围电路启动过电流封锁功能，输出的脉冲电压占空比为0。（3）以你自己的调查或观察

15、，举例说明软启动的作用。答：软启动过程中会出现一系列逐渐变宽的脉冲波形，使得占空比逐渐增大，输出的直流电压逐渐升高。这样做的优点是防止电路中出现较大的冲击电流，比如变压器或电感因出现的的冲击电流而导致磁路饱和，进而损坏元件。（4）说明限流运行时PWM控制方式的变化。答：电流比较器通过输出电流的反馈来影响死区时间，防止电流过大。所以进行限流运行时，由三角波和直流电压进行比较产生的PWM控制，也受到了反馈电流的限制。实验二十九 DC/DCPWM 升压、降压变换电路性能研究1、 实验目的（1）验证研究DC/DC PWM降压变换电路的工作原理和特性。（2）进一步掌握PWM集成电路芯片的应用和设计原则。

16、（3）了解电压电流传感器的选用原则。（4）建立驱动电路的概念和要求。（5）掌握反馈环节的概念，设计反馈电路。（6）掌握滤波器的概念与设计原则。2、 实验原理与方案设计（1）DC/DC - BUCK变换器主电路图29-1 DC/DC BUCK变换器主电路原理图（2）BUCK电路续流与断流工作状态对比续流工作状态断流工作状态输出电压公式各运行变量波形图图29-2 BUCK续流状态下波形图图29-3 BUCK断流状态下波形图（3）BUCK电路外特性分析图29-4 BUCK电路输出电压与电流外特性（4）滤波器参数设计选择实验要求指标输入电压输出功率输出电压开关频率设计滤波电感输出电流（29 - 1）最

17、小占空比（29 - 2）保证电感电流不断流（29 - 3）设计滤波电感（29 - 4）设计滤波电容LC自然谐振频率（29 - 5）电压脉动率小于1%（29 - 6）设计滤波电容3、 实验设备（1）PWM控制芯片TL494等，以及有关的外围电路元件；控制电源 （2）BUCK主电路接线板（3）示波器及直流电压表4、 实验步骤通过调整JP2所接电阻大小使得脉冲电压的占空比发生变化进行开环实验采用控制变量法，即：保持负载电阻大小不变，调控输入的直流电压值，观测输出电压大小的变化；保持输入的直流电压值不变，变化负载电阻大小，观测输出电压大小的变化。（1）空载（实际负载电阻值为250欧姆）,占空比D=0.

18、5，控制输入电压从80V变化至120V，观察输出电压及输出电流的变化。（2）输入电压恒为100V,占空比D=0.5，负载电阻从30欧姆变化至空载，观察输出电压以及输出电流的变化。（3）带载250，输入电压恒为100V,改变占空比，使D从0变化到0.889，观察输出电压以及输出电流的变化。5、 实验结果本次试验仅进行开环实验（1）带载250,占空比D=0.6，控制输入电压从80V变化至120V，观察输出电压的变化。表29-1 BUCK电路在负载250、占空比D=0.6、控制输入电压从80V变化至120V时输出电压输入电压/V1201101009080输出电压/V74.868.862.45650理

19、论值/V7266605448 图29-5 BUCK电路输出电压在负载250、占空比D=0.6、控制输入电压从80V变化至120V时的变化曲线 D=0.6时，变换电路的变比为0.62，当输入电压从80V变化至120V时，输出电压也是近似的从48V变化至72V。可见在开环的情况下当输入电压变化时输出电压并不可以维持在50V不变。（2）输入电压恒为100V,占空比D=0.556，负载电阻从50变化至1000，观察输出电压的变化。表29-2 BUCK电路在输入电压恒为100V、占空比D=0.556、负载电阻从50变化至1000时的输出电压RL/欧姆501002002505001000输出电压/V56.

20、3857.3560.6961.3863.6366.99理论值/V606060606060图29-5 BUCK电路输出电压在输入电压恒为100V、占空比D=0.556、负载电阻从50变化至1000时的变化曲线负载增大时，输出电流增大，由于存在输出电阻使得输出电阻分压增大，负载端电压下降。可见当电路开环运行时，当输入电压的大小以及输出负载的大小变化时，输出电压的大小并不能保持恒定。（3）带载250，输入电压恒为100V,改变占空比，使D从0变化到0.889，观察输出电压的变化。图29-3 BUCK电路在负载250、输入电压恒为100V、改变占空比从0变化到0.889时的输出电压占空比D00.167

21、0.3330.50.6670.8330.889输出电压/V8.42424.4838.5554.1569.8284.489.6输入电流/A8.42424.4838.5554.1569.8284.489.6图29-5 BUCK电路输出电压在负载250、输入电压恒为100V、改变占空比从0变化到0.889时的变化曲线当占空比发生变化时，输出电压与输入电压间近似成线性关系，由于占空比是通过示波器读出，所以会存在一定的人为误差，真是的输出电压可能会与输入电压间的关系更加线性化。6、 实验思考题（1）BUCK电路中的电感电流连续与否会有什么影响？哪些参数会影响电流连续？实验如何保证电流连续？答：是。由于电

22、感断流后，续流二极管不导电，其阴极电位不再等于0而等于，因而提高了输出电压平均值。临界负载电流与输出电压、电感L、开关频率fs以及开关管的D占空比都有关。实验室中电感很大时，临界电流很小，就很容易使电流连续（2）BOOST电路中，为什么D不能等于1？实验中如何保证D不等于1？答：在每一个开关周期中，电感L都有一个储能和能量通过二极管D的释放过程，也就是说必有能量送到负载端。因此，如果该变换器没有接负载，则不断增加的电感储能不能消耗掉，必会使Vo不断升高，最后使变换器损坏。实际工作中，为了防止输出电压过高，Boost电路不宜在占空比D接近于1的情况下工作。而利用死区时间可以使得D不接近1。（3）

23、两种电路中L和C的设计应满足什么原则？答：脉动电压值控制在1%以内。根据脉动电压公式：Buck Boost 其中：fs为开关频率，根据电路实际运行的参可以推得Buck中LC的最小值或Boost中电容的最小值。从断流考虑。在正常运行范围内保证不出现断流的情况。临界负载电流为： Buck Boost 根据运行时的具体情况可以得求Buck中电感L最小值，最后再求出电容的最小值或Boost中电感的最小值。（4）实验电路中，开关管的驱动电路的要求有哪些？答：本实验电路的开关管为三极管。驱动电路的要求为：控制电路和驱动电路之间要有良好的电气隔离，使得主电路的高电压大电流不会对控制电路产生电磁干扰。开通时有

24、较高的强触发，以减短开通时间。开通后基极电流要适当减小，以减小通态时基射结损耗，同时使得三极管不至于过饱和导通。关断时施加反向脉冲电流，缩短关断时间。断态时最好施加反向基射电流，增加晶体管阻断电压的能力。（5）实验电路中，传感器选取有哪些原则？ 答：根据实验要求选择合适的传感器，例如本实验选取霍尔传感器是因为该类型传感器精度高、原边与副边完全隔离、动态性能好、可靠性高以及抗电磁干扰能力强。选取的传感器的量程应大于被测量，但不能过大。传感器的精度应该满足要求。当传感器用于反馈时还需要考虑传感器的动态响应性能。实验三十 三相桥式相控整流电路性能的研究1、 实验目的（1）了解相控整流的基本原理，（2

25、）了解晶闸管相控集成触发电路的功能和触发脉冲信号的移相调控方法；（3）掌握不同性质负载时三相桥式相控整流电路输出直流电压的控制特性。（4）观察电阻负载、电感性负载时输出直流电压及输入交流电流波形。2、 实验原理与方案设计（1）三相全桥相控整流主电路图30-1 三相全桥相控整流主电路注：输出直流电压的大小，可以在负载侧直接使用示波器测量（衰减10倍）；（2）负载性质对整流特性的影响L、较小、较大且>时为负载电流断流工况：时为负载电流临界连续工况：L、较大，较小且<时为负载电流连续工况：（3）以三相全桥相控整流电路为例分析负载电流续流与断流对输出电压的影响。 阻性或感性负载60

26、6;时的波形图30-2 阻性或感性负载60°电流连续时波形90°时的阻性负载与感性负载波形图30-3 90°时的阻性负载波形图30-4 90°时的阻性负载波形结论：在纯阻性负载下三相整流桥输出电压输出理论值为（30-1）在纯感性负载下三相整流桥输出电压输出理论值为（30-2）（4）三相全桥相控整流电路角度间的关系图30-5 导通角与、函数关系图30-6 整流电压与、函数关系3、 实验设备（1）控制电源及触发电源（2）三相桥式相控整流电路主电路接线板（3）示波器及交流、直流电压表4、 实验步骤与结果（1）寻找相控角和指针式电位器电阻值的关系。接通主电路，令

27、输出侧空载，直接接示波器的输入引脚观察相控角和电位器阻值之间的关系。表30-1 相控角和电位器阻值之间的关系表相控角/°0306090120指示刻度7.98 5.46 3.98 2.460.66（2）纯电阻负载开环实验输入电压为25V，接纯电阻负载R=100欧姆且不接滤波器，观察相控角对输出电压的影响，记录输出电压、输入电流波形。表30-2 纯阻性负载下相控角和输出电压的关系相控角/°0306090120实测53.9445.5324.78 5.429-3.56理论58.550.6629.257.838-1.87图30-7 纯阻性负载下相控角和输出电压的关系从图中可以看出，该

28、图像与图30-5中的负载阻抗角为0时的图像基本相同，验证了断流情况下的输出电压是分段函数的事实。用示波器记录在不同相控角下的输出电压波形图图30-8 =0°时输出电压波形图30-9 =30°时输出电压波形图30-10 =60°时输出电压波形图30-11 =90°时输出电压波形图30-12 =120°时输出电压波形从电压波形可以看出，负载电压在=60°时开始出现断流，负载电压的负半波被削平，导致负载电压不再按照正选规律变化。（3）阻感性负载开环实验接负载且不接滤波器，观察相控角对输出电压的影响，记录输出电压、输入电流波形负载的相位角（3

29、0-3）表30-3 RL负载下相控角和输出电压的关系相控角/°0306090120实测50.3043.1224.565.01-3.56理论58.550.6629.250-29.25图30-13 RL负载下相控角和输出电压的关系从图中可以看出，实际输出电压曲线相对于纯阻性负载情况而言，趋向更接近余弦函数，这说明感性负载起到了一定的续流作用，时输出电压负半波没有全部削平。用示波器记录在不同相控角下的输出电压波形图图30-14 =0°时输出电压波形图30-15 =30°时输出电压波形图30-16 =60°时输出电压波形图30-17 =90°时输出电压

30、波形图30-11 =120°时输出电压波形从输出电压波形可以看出，电压波的峰值处变得平缓（负载中的电感限制了电流变化，通过微分反映到了电压波形上），输出电压在负半波出现了小的尖峰，而且角度也接近负载阻抗角。从整体电压波形看，输出电压波形中谐波含量较大，对滤波造成了很大的困难。而且从开关管的动作方式可知输入电流的功率因数较低，对电网造成了大量污染。5、 实验思考题（1）观察相控整流电路的功率因数应该观察哪些因素（波形或数据）？如何观察？答：相控整流电路的功率因数有以下几种方法：通过观察输入电流以及输入电压的波形来实现。通过示波器软件的谐波分析FFT计算功能，直接得到所需要的数据。对输入

31、电流电压的波形进行分析可以得到其有效值基波分量的有效值以及基波电压和基波电流的相位差。可以得功率因素为：，为输入电压有效值，为输入电流有效值，为基波分量有效值，为基波电流和电压的相位差。若输出电压为比较平稳的直流，则可以使用示波器或者万用表测量输出的有功功率，若忽略电路本身的功率损耗，则可以将该输出有功功率看作是电源侧输入的有功功率。因此可以得功率因数为：。（2）影响相控整流的电路功率因数的原因有哪些？如何提高功率因数？答：功率因数的公式为所以功率因数由两个方面来决定：输入基波电压和基波电流之间的相位差。输入电压电流的基波分量的大小。因此可附加无源滤波器或有源功率因素校正器的来提高功率因数。有

32、源功率因素校正器的作用，使得交流电流跟踪输入正弦电压波形，使两者同相，从而使输入端总谐波畸变率THD小于5%，而功率因数提高到0.95或更高。（3）相控整流电路滤波器设计的原则有哪些？答：特征频率应该远小于最低次谐波的频率。滤波器的电感值不应太大，保证输出负载变化时，输出电压变化不大。滤波器的电容值不应太大，使得流过电容的电流不至于过分的增加开关管的容量。（4）相控整流电路的稳压控制需要考虑哪些问题？答：稳压控制要考虑：相控角的变化范围，需要稳定的电压必须在相控角可以调控的范围之内。注意输出电流的变化，当输出电流过大时，应该启动过电流保护功能。实验三十一 DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能

33、的研究1、 实验任务（1）熟悉和掌握和逆变电流控制芯片的使用方法。（2）掌握SPWM逆变电路的基本工作原理。（3）理解逆变电路滤波器的设计原则。（4）学习、掌握逆变电路输出电压幅值和频率的控制方法。2、 实验原理及方案设计（1）冲量等效原理大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（面积），即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。换而言之，无论冲量的表现形式如何，只要是冲量等效的脉冲作用在惯性系统上，惯性系统的输出或响应是基本相同的。 图31-1 冲量等效系统电路由于开关管控制的瞬时输出电压只能是0或直流母线电压，所以无法将交流侧输出电压之间变换为标准的正弦波，所以只能通过发

34、出一系列宽度正弦变化的窄脉冲来等效正弦输出电压。图31-2 窄脉冲电压输出波形（2）DC/AC单相半桥SPWM逆变主电路图31-3 DC/AC单相全桥电路原理图（3）双极性SPWM输出电压分析开关管触发信号输出控制及波形图31-4 双极性SPWM信号产生比较器图31-5 双极性SPWM触发信号波形图基波特性：（31-1）基波大小与调制比M成正比（32-2）谐波波特性：消除了低次谐波，3,5,7.等次谐波没有了。LOH在开关频率附近，载波比N越大，LOH越高，有利于滤波。图31-6 双极性SPWM谐波波特性比较图（4）滤波器设计设计的滤波器L=10mH,C=10uF，得到的截止频率为503.29

35、Hz。已知N=5k/50=100,则SPWM的最低次谐波分量约为4800Hz，基波分量为50Hz。所以该滤波器既可以衰减最低次谐波分量，又不会使基波分量衰减。3、 实验设备（1）PWM控制芯片TL494等，以及有关的外围电路元件；控制电源 （2）全控型单相全桥逆变主电路（3）示波器及直流电压表4、 实验步骤（1）观察芯片产生的三角载波（TR1）和参考正弦信号(SIN) 调节Rp1可改变参考正弦信号频率fr；调节Rp5可改变参考正弦信号幅值Vsinm。（2）将三角载波和正弦波进行比较得到SPWM脉冲波形，观察 SP1和SP2输出脉冲波形，观察经过CD14538芯片处理过的具有死区时间的控制信号，

36、从CD4081的3、4号脚观察（3）连接好主电路，并与控制电路连接。在主电路通电之前，检查控制电路各波形、死区是否正常。（要求输入直流电压为80V；输出交流电压可调，输出功率<100W）（4）在以上正常的前提下，合上总电源开关及直流电压开关（直流输出，旋钮置0），逆变电路工作，主电路电源从低压到高压逐渐增加至30V,记录并分析输出电压： 观察无LC滤波器与有滤波器两种情况下的输出波形，对比分析 保证fr=50Hz,改变参考正弦信号幅值Vsinm，测量输出电压幅值表31-1 改变参考正弦信号幅值VsinmVtrim/V1.81.81.81.8Vsinm/V1.61.20.80.48M0.8

37、9 0.67 0.44 0.27 Voutm/V23.9218.7512.676.82图31-7 输出电压幅值与调制比之间的关系通过图像可以分析出，输出电压幅值与调制比之间近似呈线性化关系，证明了改变调制比可以线性地改变输出电压这一事实。 改变fr, 测量输出电压频率表31-2 改变参考正弦信号频率frfr/Hz9.74230.3350.2170.5090.79fo/Hz9.88130.1250.107090.31Voutm/V6.66.87.07.07.0图31-8 输出电压幅值与参考波频率之间的关系从图像可以分析，输出电压幅值与参考正弦波频率基本没有明显关系，只是当频率较低时，用交流电压表

38、可能测出的值不准（一部分值归到了直流分量中，使基波分量减小）。图31-9 输出电压幅值与参考波频率之间的关系从图像中可以分析出输出电压基波频率与参考波频率几乎完全相等，说明SPWM实现了输出电压完全按照参考波形的变化而变化。（5）减小负载电阻到一合适大小，增大参考正弦信号幅值Vsinm，观察当直流电流超过阈值时，电路的过流保护功能是如何实现的5、 实验结果与分析（1）观察芯片产生的三角载波（TR1）和参考正弦信号(SIN)图31-10 参考正弦波图31-11 三角载波Vp-p=11.7V，f=4.873kHz（2）观察SPWM脉冲波形，观察 SP1和SP2输出脉冲波形，观察经过CD14538芯

39、片处理过的具有死区时间的控制信号图31-12 正弦波与三角载波比较图31-13 SP1、SP2的输出脉冲波形（3）观察无LC滤波器与有滤波器两种情况下的输出波形，对比分析图31-14 无滤波器情况下的输出波形图31-15 有滤波器情况下的输出波形从图像可以看出，未经滤波的输出电压是窄脉冲的罗列，完全看不出正弦波的形状，含有较大的高次谐波分量，会对负载工作产生危害。而经过滤波后（一定要将输出与信号产生电路共地，这样才不会使输出电压产生漂移），可以明显看出基波电压的形状，虽然在峰值处还可以看到高次谐波造成的波形尖峰，以及波形周围的毛刺，但是相对滤波前已经是很好的波形了。6、 实验思考题（1）为什么

40、单相半桥逆变电路的过流保护检测要比单相全桥和三相逆变电路多用一个电流霍尔传感器？答：半桥电路中电流由两个分压电容单独提供，两个分压电容就像是两个电源。可能会使得其中一半桥单独出现过电流的现象，所以要在两个电容侧皆配置电流传感器实现电流保护。而单相全桥和三相桥式逆变电路中，负载的电能直接由电源侧来提供，负载出现过电流现象时，电源侧的来去引线上都会出现过电流的现象，所以只要在其中一条线路上配置电流传感器就可以实现电流保护的功能。（2）怎样设计死区电路？设计的原则是什么？答：可以在电路中增加一锁存器，参考波和载波比较器输出电压为SP，真正用于驱动开关管的信号为PW，在SP和PW之间引入锁存器，锁存器

41、初始状态Q为0，当SP为1之后经过一段时间所存器才为1。PW=SPQ,可见当SP为1以后，经过一段时间的延迟，PW才为如此引入了死区时间。死区时间设计的原则是： IGBT在关断过程中，存在拖尾效应，死区时间必须要大于关断拖尾时间，避免上下桥路的直通短路。 死区时间不可以过长，影响电路占空比的正常变化。（3）附录示例中，采用函数发生器作为SPWM的正弦波来源，这样的方式是开环控制还是闭环控制？可否实现稳压？答：属于开环控制，不可以实现稳压。因为参考正弦波的大小仅和信号发生器产生的波形有关，并不能引入输出电压反馈，实现电压的稳定。（4） SPWM逆变电路的输出滤波器设计原则是什么？答： 特征频率应

42、该远小于最低次谐波的频率。 不应该过小的衰减基波频率分量。 滤波器的电感值不应太大，保证输出负载变化时，输出电压变化不大。 滤波器的电容值不应太大，使得流过电容的电流不至于过分的增加开关管的容量。 谐振频率应大于基波频率。实验四十五 带功率因数校正的整流电路的设计及研究1、 实验目的（1）掌握两级式和三级式基本PFC拓扑的工作原理和特点；（2）通过本实验加深对功率因数分析的理解；（3）掌握基本的功率因数校正的方法与设计原则；（4）进而扩展到其他更新颖的功率因数的设计方法。2、 实验原理及方案设计（1）PFC原理与其实现原理PFC实现目标对含有电容稳压的负载而言，如果直接整流，则会因为电容的嵌压

43、作用导致输入电流不连续，使输入电压端的功率因数变得很低，并引起用电设备之间的相互干扰，电磁兼容性下降，对电网造成污染。这是并网使用的电力电子设备所不能允许的。图45-1 无PFC环节的整流电路波形图采用功率因数校正（PFC，power factor correction）技术不仅可以降低线路损耗，节约能源，消除火灾隐患，还可以减小电网的谐波污染，提高电网的供电质量。图45-2 含PFC环节的整流电路电网电流波形图电流的峰值调控图45-3 含PFC环节的电流峰值调节电感电流工作在临界连续模式时，（45-1）（45-2）在功率因数接近1时， 故开通时间为常数。在控制时，我们采集电感电流过零点，在电

44、感电流过零时给开关管一个固定时间的方波，这样输入平均电流就会跟随输入电压，在稳定输出电压时只需对开关管的开通时间进行调控，以达到电流在峰值处被调控为正弦包络线下的电流波。（2）PFC电路参数设计 实验主电路主电路由单相桥式不控整流电路和Boost电路串联而成。电感线圈副边电压用于判断电感电流是否过零，在电感电流过零时，会由正电压变为负电压，由于在两个二极管的电压钳位作用下，会由5V变为0V，单片机采集下降沿信号，用于判断电感电流是否过零。参数设计如下：a. 变压器参数设计一个开关周期内，由伏秒平衡法则可得：（45-3）则开关周期：（45-4）一个开关周期内二极管平均电流：（45-5）半个输入电

45、压周期内二极管平均电流：（45-6）电路输出功率：（45-7）开关周期：（45-8）由上式可知，当交流输入电压越高，输出功率越小，开关频率越低。开关频率的取值应在较为合理的范围内，取为10kHz100kHz，计算后取L=2.2mH，即变压器原边感值为2.2mH。变压器原边电压范围为0-2202V，为使任意电压输入时比较器均能输出较好的上升沿，则副边电压最小时仍应大于5V，则有：可取变压器原副边匝比为6:1，同时加上限流电阻和箝位电路。b. 输出滤波电容设计输入电压为正弦半波，输入瞬时功率随输入电压波动，当输入瞬时功率小于输出功率期间，由输出滤波电容补充不足的瞬时功率。设输入电压为 ，输入瞬时功

46、率为，在一个工频周期内功率平衡，有 。在期间，输入瞬时功率小于输出功率，输出滤波电容的电压从最大值下降到最小值，电容释放能量补充不足的功率。设输出电压纹波为 ，电容释放的能量为：（45-9）由，推导得到：（45-10）按照2%的输出纹波设计，可得滤波电容值为：为了使输出直流电压稳定，母线电容可以适当取大，选择100uF 、450V的电解电容，再并联10nF的高频电容以吸收输出高频纹波。c. 功率器件选型根据耐压耐流等级，整流桥选用KBJ2510；综合考虑开关管的导通电阻和结电容，选择IPW65R280C6；续流二极管选择IDH10SG60C。图45-4 Boost PFC主拓扑原理图（2）辅助

47、电源采用两片专用芯片LNK302和IFX1963，分别得到5V和15V的辅助电源。分别给驱动和电路和单片机供电。图45-5 辅助电源原理图（3）驱动电路驱动芯片使用Infineon公司的1ED芯片，驱动电路图如下所示。10号引脚为驱动电路输入，6号引脚为驱动电路的输出，2号引脚作用为开关管的过流保护，通过13号引脚/FLT输出过流信号给单片机。图45-6 驱动电路原理图（4）软件设计本次实验使用的MCU为Infineon公司的XMC1300单片机。流程框图如下：图45-7 主程序流程图使用CCU80_CC80定时器片通道1输出PWM波。启动时固定频率10kHz工作，占空比由0上升到输出电压40

48、0V时，CCU8改为单次模式。由ACMP1通过ERU控制CCU8启动定时器，在ACMP1输出下降沿时启动定时器，CCU8发出单次脉冲。ADC对输出电压进行采样，通过PI算法修改脉冲的宽度，从而实现输出电压的调节。当ADC采到电压高于基准值时，关闭CCU8的输出。电流采样电阻两端电压输入ACMP0的同相输入端，与反向输入端的基准电压进行比较，当高于基准电压时，ACMP0输入高电平，通过ERU启动CCU8的Trap功能，停止发出PWM波。图45-8 定时器中断处理程序流程图图45-9 控制原理图3、 实验设备（1）Boost-PFC主电路及外围电路（包括辅助电源、驱动电路、单片机控制电路）；（2）交流调压器；（3）负载电阻2.3k和4.7k；（4）霍尔电流传感器。4、 实验步骤（1）按实验原理图连接电路以及主电路电源、控制信号电源及触发电源；图45-10 电路实物图（2）在电路反馈的基础上，调整输入电压，测量输出电压（保持负载为2.3k）；表45-1 电压调整率测量数据输入电压