電力電子課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　實(shí)習(xí)（實(shí)訓(xùn)）報(bào)告</b></p><p>　　名稱 電力電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)－DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與調(diào)試 </p><p>　　2013年1月7日至2013年1月11日 共1周</p><p>　　2013年1月7日-2013年1月11日</p>

2、;<p>　　院 　系 電子信息工程系 </p><p>　　班 級(jí) 11應(yīng)用電子1 班 </p><p>　　姓 名 </p><p><b>　　實(shí)習(xí)（實(shí)訓(xùn)）任務(wù)書</b></p><p>　　名 稱： 電力電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)－DC/DC變

3、換器的設(shè)計(jì)與調(diào)試 </p><p>　　起訖時(shí)間：2013年1月7日-2013年1月11日</p><p>　　院 系： 電子信息工程系 </p><p>　　班　　級(jí)： 11應(yīng)用電子1班 </p><p><b>　　目錄</b></p>

4、<p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 電力電子學(xué)基礎(chǔ)1</p><p>　　1.2 電力電子在我國(guó)的應(yīng)用1</p><p>　　第二章 元器件介紹3</p><p>　　2.1 三極管簡(jiǎn)介3</p><p>　　2.2 三極管的工作原理

5、3</p><p>　　2.3 TL494簡(jiǎn)介4</p><p>　　2.3.1主要特性4</p><p>　　2.3.2 工作原理簡(jiǎn)述5</p><p>　　2.3.3 TL494脈沖控制6</p><p>　　第三章DC/DC變換器的技術(shù)指標(biāo)及要求8</p><p>　　3.1

6、 DC/DC變換簡(jiǎn)介8</p><p>　　3.2降壓式斬波器原理介紹8</p><p>　　3.3 DC/DC變換原理圖9</p><p>　　3.4 DC/DC變換的工作原理9</p><p>　　第四章DC/DC變換器的調(diào)試與結(jié)果10</p><p>　　第五章 心得體會(huì)11</p>&

7、lt;p>　　第六章 參考文獻(xiàn)11</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 電力電子學(xué)基礎(chǔ)</p><p>　　電力電子學(xué)（Power Electronics）這一名稱是在上世紀(jì)60年代出現(xiàn)的。1974年，美國(guó)的W.Newell用一個(gè)倒三角形（如圖）對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，認(rèn)為它是由電力學(xué)、電子學(xué)

8、和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。這一觀點(diǎn)被全世界普遍接受?！半娏﹄娮訉W(xué)”和“電力電子技術(shù)”是分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)2個(gè)不同的角度來(lái)稱呼的。</p><p>　　其涉及的內(nèi)容包括系統(tǒng)與控制、電力電子器件和電力電子電路三個(gè)部分。電力電子器件現(xiàn)已由以晶閘管為代表的第一代半控型器件發(fā)展到以功率晶體管（GTR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）為代表的第二代全控型器件，并向著以功率集成電路為代表的

9、第三代智能化器件邁進(jìn)。全控型電力電子器件可分為雙極型（含功率晶體管，可關(guān)斷晶閘管、靜電感應(yīng)式晶閘管）、單極型（含功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、靜電感應(yīng)式晶體管）、復(fù)合型（含絕緣門雙極晶體管、MOS控制晶體管）和功率集成電路四種類型。功率集成電路是指功率器件和驅(qū)動(dòng)電路、控制電路以及保護(hù)電路、診斷電路的集成。</p><p>　　1.2 電力電子在我國(guó)的應(yīng)用</p><p>　　雖然我國(guó)電力電子的開(kāi)發(fā)研究

10、已5O年歷史，過(guò)去我們已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是與超大規(guī)模集成電路的發(fā)展一樣，該領(lǐng)域科技發(fā)展速度太快加之我國(guó)財(cái)力和原有基礎(chǔ)薄弱的限制，特別是面臨國(guó)外高科技的沖擊等原因。我國(guó)電力電子有被“ 邊緣化” 的趨勢(shì)，即各行各業(yè)都迫切需要。但是各應(yīng)用領(lǐng)域均沒(méi)將其作為研究重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)解決不了就依靠進(jìn)口。應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，目前我們與國(guó)外先進(jìn)水平的差距還是很大的。當(dāng)前存在的主要問(wèn)題是：目前我國(guó)生產(chǎn)的大多數(shù)電力電子產(chǎn)品和裝置還主要基于晶閘管雖然也能制造一些高技術(shù)的電

11、力電子產(chǎn)品和裝置但是它們均是采用國(guó)外生產(chǎn)的電力電子器件和組件以組裝集成的方式制造的特別是先進(jìn)的全控型電力電子器件則全部依賴進(jìn)口，而許多關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈和國(guó)家安全的若干關(guān)鍵領(lǐng)域中的核心技術(shù)和軟硬件，國(guó)外均是對(duì)我國(guó)進(jìn)行控制和封鎖的。我們正面臨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的嚴(yán)峻形勢(shì)。特別是關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈和國(guó)家安全的若干關(guān)鍵領(lǐng)域中的核心技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平的差距更大，迅速改變這一現(xiàn)狀是我們面臨挑戰(zhàn)和義不容辭的任務(wù)。過(guò)去我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門雖然引進(jìn)了不少國(guó)外先進(jìn)

12、技術(shù)也強(qiáng)調(diào)了國(guó)產(chǎn)化的問(wèn)題。盡管它們中的絕大多數(shù)幾年后都可以達(dá)到國(guó)產(chǎn)化率7O％的要求?？墒侵灰?lt;/p><p>　　關(guān)鍵字：電力電子 </p><p><b>　　第二章 元器件介紹</b></p><p>　　2.1 三極管簡(jiǎn)介</p><p>　　三極管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。在半導(dǎo)體鍺或硅的單晶上制備兩

13、個(gè)能相互影響的PN結(jié)，組成一個(gè)PNP（或NPN）結(jié)構(gòu)。中間的N區(qū)（或P區(qū)）叫基區(qū)，兩邊的區(qū)域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極引線，分別叫基極B、發(fā)射極E和集電極C，是能起放大、振蕩或開(kāi)關(guān)等作用的半導(dǎo)體電子器件。</p><p>　　2.2 三極管的工作原理</p><p>　　三極管（以下簡(jiǎn)稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是

14、硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導(dǎo)電，而p是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。對(duì)于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c?！?lt;/p

15、><p>　　當(dāng)b點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位幾伏時(shí)，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。在制造三極管時(shí)，有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時(shí)基區(qū)做得很薄，而且，要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）及基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容易地越過(guò)發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U(kuò)散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過(guò)發(fā)射

16、結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。由于基區(qū)很薄，加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過(guò)集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電極電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補(bǔ)給，從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic，這就是說(shuō)，在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的Ib，就可以在集電極上得到一個(gè)較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即：β

17、1=Ic/Ib 式中：β1--稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：β= △Ic/△Ib。式中β--稱為交流電流放大倍</p><p>　　2.3 TL494簡(jiǎn)介</p><p>　　TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開(kāi)關(guān)電源。 </p><p>&

18、lt;b>　　2.3.1主要特性</b></p><p>　　1、集成了全部的脈寬調(diào)制電路。</p><p>　　2、片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)（一個(gè)電阻和一個(gè)電容）。</p><p>　　3、內(nèi)置誤差放大器。</p><p>　　4、內(nèi)置5V參考基準(zhǔn)電壓源。</p><p>　　5、

19、可調(diào)整死區(qū)時(shí)間。</p><p>　　6、內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動(dòng)能力。</p><p>　　7、推或拉兩種輸出方式。</p><p>　　圖1 TL494外形圖 圖2 TL494引腳圖</p><p>　　2.3.2 工作原理簡(jiǎn)述</p><

20、;p>　　TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：</p><p>　　輸出脈沖的寬度是通過(guò)電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。參

21、見(jiàn)下圖：</p><p><b>　　圖3 信號(hào)波形圖</b></p><p>　　它由振蕩器、D 觸發(fā)器、死區(qū)時(shí) 間比較器、PWM 比較器、兩個(gè)誤差放大器、5V 基準(zhǔn)電壓源和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)三極 管等組成。 TL494 正常工作時(shí)， 當(dāng) 輸出脈沖的頻率取決于 5 腳和 6 腳所接 的電容和電阻，表達(dá)式為 f ≈ 1.1 R T CT ，在電容 CT 兩端形成的是鋸齒波，

22、該鋸齒波同時(shí)加給死區(qū)時(shí)間控制比較器和 PWM 比較器， 死區(qū)時(shí)間控制比較 器根據(jù) 4 腳所設(shè)置的電壓大小輸出脈沖的死區(qū)寬度， 利用該腳可以設(shè)計(jì)電 源的軟啟動(dòng)電路、欠壓或過(guò)壓電路等。輸出調(diào)制脈沖寬度是由電容 CT 端 的正向鋸齒波和 3、4 腳輸入的兩個(gè)控制信號(hào)綜合比較后確定的。當(dāng)外接 控制信號(hào)電壓大于 5 腳電壓時(shí)，9、10 腳輸出脈沖為低電平（設(shè) 9、10 腳 為跟隨器輸出接法），所以隨著輸入控制信號(hào)幅值的增加，</p>

23、<p><b>　　圖4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　2.3.3 TL494脈沖控制</p><p>　　控制信號(hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為

24、48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在0—3.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。</p><p>　　脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零。兩個(gè)誤差放大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流察覺(jué)得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，

25、它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。</p><p>　　當(dāng)比較器CT放電，一個(gè)正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個(gè)輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別從晶體管Q1或

26、Q2取得。輸出變壓器一個(gè)反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時(shí)，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。</p><p>　　TL494內(nèi)置一個(gè)5.0V的基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路時(shí)，可提供高達(dá)10mA的負(fù)載電流，在典型的0—70℃溫度范圍50mV溫漂條件下，該基準(zhǔn)電壓源能提供±5%的精確度

27、。</p><p>　　第三章DC/DC變換器的技術(shù)指標(biāo)及要求</p><p>　　3.1 DC/DC變換簡(jiǎn)介</p><p>　　DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。 直流-直流變換器（DC-DC converter）內(nèi)部一般具有PWM（脈寬調(diào)制）模塊，E/A（差錯(cuò)放大器模塊），比較器模塊等幾大功能模塊。 </p>

28、<p>　　3.2降壓式斬波器原理介紹</p><p>　　斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制。</p><p>　?。?）Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓</p><p>　　U0小于輸入電壓Ui，極性相同。</p><p>　?。?）Boost電路——升壓斬波器，其輸出平

29、均電壓</p><p>　　U0大于輸入電壓Ui，極性相同。</p><p>　?。?）Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其</p><p>　　輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。</p><p>　?。?）Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電</p><p>　　壓U0大

30、于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。</p><p>　　還有Sepic、Zeta電路。</p><p>　　上述為非隔離型電路，隔離型電路有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。</p><p>　　3.3 DC/DC變換原理圖</p><p><b>　　圖5 原理圖</b></p>

31、<p>　　3.4 DC/DC變換的工作原理</p><p>　　其工作原理為：輸出經(jīng)過(guò)FB（反饋電路）接到FB pin，反饋電壓VFB與設(shè)定好的比較電壓Vcomp比較后，產(chǎn)生差錯(cuò)電壓信號(hào)，差錯(cuò)電壓信號(hào)輸入到PWM模塊，PWM根據(jù)差錯(cuò)電壓的大小調(diào)節(jié)占空比，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的，振蕩器的作用是產(chǎn)生PWM工作頻率的三角波，三角波經(jīng)過(guò)斬波電壓斬波后，產(chǎn)生方波，其方波就是控制MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間從而控制

32、輸出電壓的。 </p><p>　　圖6 DC/DC變換器工作波形</p><p>　　第四章DC/DC變換器的調(diào)試與結(jié)果</p><p><b>　　圖7 實(shí)驗(yàn)波形圖</b></p><p><b>　　表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　第五章

33、心得體會(huì)</b></p><p>　　此次電力電子讓我學(xué)到了很多，因?yàn)楸趁娴倪B線特別的細(xì)，所以第一次調(diào)試輸出電壓為0，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的查找，終于找到有其中一根線是斷開(kāi)的，通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我懂得了如何是看芯片的PDF文件，如何去網(wǎng)上找相關(guān)資料并從中篩選自己想要的內(nèi)容，了解芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引腳功能，應(yīng)用電路接法。畫PCB圖和做電路板也比以前熟練，快很多。</p><p>　　電子電路的

34、知識(shí)有了更深的認(rèn)識(shí)和了解，學(xué)習(xí)到了基本理論在實(shí)踐中綜合運(yùn)用的初步經(jīng)驗(yàn)，掌握了模擬電路設(shè)計(jì)的基本方法、設(shè)計(jì)步驟，培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)與調(diào)試能力。學(xué)會(huì)了電路原理的設(shè)計(jì)方法和線路板的調(diào)試方法，更重要的是培養(yǎng)了我們的實(shí)踐技能，電板的焊接能力也掌握的更加?jì)故炝?，更加提高了本身的分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。</p><p><b>　　第六章 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　(1)

35、電力電子基礎(chǔ) 曹豐文 祈春清 劉振來(lái) 中國(guó)電力出版社 2007.8</p><p>　　(2)《TL494的功能與檢測(cè)方法》 張國(guó)棟 2003.11</p><p>　　(3)《電力電子學(xué)與直流斬波》 北方交通大學(xué) 朱世嶺 機(jī)械工業(yè)出版社 </p><p>　　(4)《現(xiàn)代電力電子技術(shù)》 趙良炳 清華大學(xué)出版社 1995</p>