信号与控制综合实验课程实验报告电气电力电子设计性实验

1、电气学科大类 2010 级信号与控制综合实验（二）课程实 验 报 告(电力电子基本实验)姓 名 学 号专业班号 姓 名 学 号专业班号 指导教师 邓春花 日 期 2013年6月 实验成绩 评 阅 人 目 录实验四十八 dc/dc 单端反激式变换电路设计3一、 任务与目标3二、 实验原理.3三、 方案实现与具体设计.4.四、 实验器材6五、 实验数据与实验结果6六、 结果分析与讨论8 七、 实验心得与体会10八、 参考文献11实验四十八 dc/dc 单端反激式变换电路设计一、 任务与目标通过本实验进一步了解单端反激变换器这种应用很广的电路的原理，掌握其设计方法，以及各种单端反激电路的特点和应用场

2、合；二、实验原理1.单端反激变换电路基本原理 在基本的直流/直流变换器中引入隔离变压器，可以实现变换器的输入端和负载端的电气隔离，从而提高运行的安全可靠性和电磁兼容性。同时当电源电压v和负载所需的输出电压v相差较大时，也不会导致占空比d接近1或0。而且引入变压器后，可以设置多个二次绕组输出几个不同的直流电压。图48-1是单端反激变换电路原理图。电路仅有一个开关管，隔离变压器的磁通只能单方向变化。当有正向偏压加在开关晶体管t的基极上时，t导通，当集电极发射极间的电压达到饱和电压时，输入电压加在变压器的初级绕组上的电压。同时，在变压器的次级绕组中感应出反极性的电压，次极的二极管d中没有电流流过，次

3、级绕组处于开路状态。这时变压器内部并没有能量传递，电源提供给初级绕组的能量全部存储在变压器中。开关管断开时，电源停止向初级绕组提供电能，同时变压器绕组产生反向电动势，次级电路的二极管d导通。变压器内存储的能量向输出侧释放出来，给负载供电，因此该电路称为单端反激变换电路2.自激式单端反激变换器原理及其设计图48-2是一种常见的自激式单端反激变换电路，简称rcc电路（ringing chokeconverter），广泛应用于50w以下的开关电源，它不需要专门的振荡电路，结构简单，由输入电压与输入、输出电流改变频率。基本原理：bjt的集电极驱动变压器的主绕组，变压器的反馈绕组经电阻或由电阻电容构成的

4、网络接入基极，反馈绕组的极性要保证电路为正反馈连接；同时，要对bjt的基极加入适当偏置；由于正反馈作用，bjt的初始集电极电流会被正反馈至基极，使基极电流增加，进而引起集电极电流增加、基极电流进一步增加，由于正反馈过程，电路最终达到bjt饱和导通；之后会发生变压器磁心饱和或基极反馈电容充电达到极限等因素限制，使集电极电流停止增大，变压器磁芯磁通停止增大，继而基极反馈电压极性反转，bjt截止；然后电路恢复初态，进入下一个震荡周期。期间：，c2给负载放电，变压器磁路饱和，t1储能；期间：0，vnp由0变负，vt1加速关断，t1释放能量给负载；结论： ； ； ； ；三、实验器材电力电子实验装置；相关

5、实验模板；实验控制电路板；功率供电电源；控制电源；实验箱面包板；示波器；ua741；10k电阻等四、实验方案与具体步骤1、验证实验：1）采用实验室模块（实验电路板b07）完成实验，电路图如图48-3所示；2）实验电路的允许波动范围为80120 v，输入电源额定电压为100v；3）注意：自激单端反激电路一般不能在输入为0或很低时接通电路，以免影响自激振荡；4）导通方式：根据电路工作范围确定合适输入电压，将电源电压调至该值（不可过大），再突然接通电路，使其正常工作； 实验中tp8、tp9间电压40v，以免炸电容；5）实验步骤：输入电源电压为最低输入电压时观察电路的自激起振情况；输入电源电压为额定值

6、，负载为额定负载时，输出电压的稳压情况；输入电源电压在最低最高电压之间变化时，输出电压的稳压情况；具体步骤：a、断开jp1，输入电压80v，观察电路的自激起振情况，记录相应波形；b、输入额定电压100v，记录输出电压值，记录vi,v2数值。c、输入电压为80v, 100v, 120v时的开环输出特性。d、连接jp1，引入电路板自带负反馈，形成闭环，测量闭环特性：改变输入电压，记录输入为80v, 100v, 120v时对应的输出电压值；图48-3 单端反激验证试验原理图2、设计实验：实验室电路板自带的负反馈有以下问题：电路只能在输出电压大于额定输出电压时才有负反馈作用，而但输出电压小于额定输出电

7、压时则没有负反馈作用，因此当输出电压小于额定电压时变压器负反馈的作用不能发挥；为解决上述问题，选择用由霍尔电压传感器与差分运算放大器构成的负反馈电路来对原电路进行负反馈，改善电路自带负反馈存在的问题；霍尔传感器参数选择：已知输出额定电压vo=12.5v，霍尔电压传感器参数为10ma/25ma，设计输入电阻为10，输出电阻为2，12.5/（10x103）x25/10x2000=6.25v；从而运放的且, 由此可得：当时，使vf1提前关断，传递到变压器次级的电压v2的脉冲宽度变窄，整流滤波后的电压降低到所需要的幅值；当时，使次级的电压v2的脉冲宽度变宽，使电压升高到所需要的幅值。 具体步骤：1）开

8、环部分与实验（一）相同（用实验室电路板完成），在此不再重复实验；2）闭环部分：引入霍尔传感器与运放构成的负反馈，形成闭环； 闭环反馈实验原理图如图48-4所示；a、断开jp1，在pi2的 2脚与 po3的 3脚间接入负反馈电路，测量闭环特性；b、将上述数据与验证实验中的数据进行比较，分析产生不同的原因；图 48-4 设计实验的闭环电路图五、实验数据与实验结果1、验证实验： 1）有负反馈时： 直流输入82.5v：图 48-5 直流输入82.5v时变压器原方绕组波形频率25.3khz，峰峰值234v，最大值96v；图 48-6 直流输入82.5v时12v副方绕组电压波形27.2khz，峰峰值64v

9、，最大值28.8v；图 48-7 直流输入82.5v时5v副方绕组波形27.2khz，峰峰值28.5v，最大值12v；图 48-8 直流输入82.5v时vce电压波形频率25.1khz，峰峰值233v，最大值24v；额定输入100v：图 48-9 直流输入100v时变压器原方绕组电压波形频率31.07khz，峰峰值252v，最大值116v；图 48-10 直流输入100v时变压器12v副方绕组电压波形频率34.6khz，峰峰值68.8v，最大值36.6v；图 48-11 直流输入100v时变压器5v副方绕组电压波形34.6khz，峰峰值30.6v，最大值15.2v；图 48-12 直流输入10

10、0v时vce电压波形34.36khz，峰峰值252v，最大值236v输入电压120v：图 48-13 直流输入120v时原方绕组电压波形频率37.05khz，峰峰值276v，最大值138v；图 48-14 直流输入120v时12v副方绕组电压波形37.1khz，峰峰值72v，最大值38v；图 48-15 直流输入120v时5v副方绕组电压波形37.13khz，峰峰值32.4v，最大值16.4v；图 48-16 直流输入120v时vce电压波形36.98khz，峰峰值280v，最大值264v以上三次测量，稳压管的三输出端口输出分别为：11.8v，-12.09v，5.02v；2）没有接反馈时：（因

11、为引入反馈后经过几个图的观察，波形的幅值、频率等参数会变，但波形几乎不变，所以以下没有截图，直接对数据进行记录和分析；）直流输入80v波形数据： a、原方绕组波形数据：26.62khz，峰峰值210v，最大值92v； b、12v副方绕组波形数据：29.0khz，峰峰值 58.4v，最大值28v；c、5v副方绕组波形数据：28.9khz，峰峰值26.4v，最大值12v；d、vce波形数据：28.9khz，峰峰值220v，最大值182v；e、三输出端口输出分别为：12v副方侧：25.6v；5v副方侧：11.75v；直流输入100v：a、原方绕组波形数据：27.2 khz，峰峰值274 v，最大值1

12、16v； b、12v副方绕组波形数据： 29.3khz，峰峰值78v，最大值38v； c、5v副方绕组波形数据：29.2khz ，峰峰值35.2v ，最大值15.2v；d、vce波形数据：29.22khz，峰峰值288v，最大值270v；e、三输出端口输出分别为：12v副方侧：34.2v；5v副方侧：15.8v；直流输入120v：a、原方绕组波形数据：27.24khz，峰峰值344v，最大值140v；b、12v副方绕组波形数据：29.17khz，峰峰值97.6v，最大值47.2v；c、5v副方绕组波形数据：29.1khz,峰峰值44.8v，最大值20v；d、vce波形数据：29.05khz，峰

13、峰值360v，最大值338v ； e、三输出端口输出分别为：12v副方侧：45v；5v副方侧：20.7v；有反馈的输出：直流输入80v：12v副方侧：22.7v，5v副方侧：10.45v；直流输入100v：12v副方侧：27.2v，5v副方侧：12.55v；直流输入120v：12v副方侧：28.4v，5v副方侧：13.09v；综上分析：相比没有反馈的时候，有反馈时的输出相对来说是很稳定的，但是有几个问题：1）电路中虽然引入了变压器负反馈，但电路只能在输出电压大于额定输出电压100v时才有明显稳压效果，而但输出电压小于额定输出电压时则没有负反馈作用，因此当输出电压 小于额定电压时变压器负反馈的作

14、用不能发挥；2）即使输出电压大于额定输出电压100v时，其输出也在波动，并不是很好的稳压；误差分析：实验中的各种损耗，对实验结果有一定影响； 2、设计实验：（各种实验波形和验证实验相似，以下只记录实验数据）开环实验：表48-1 开环12v副方侧输入输出数据vi/v80100120vo/v25.4734.3345.34表48-2 开环5v副方侧输入输出数据vi/v80100120vo/v11.6515.8320.96图48-17 设计电路开环时12v特性曲线图48-18 设计电路开环时5v特性曲线闭环实验：表48-3 闭环12v副方侧输入输出数据vi/v80100120vo/v26.9127.3

15、527.80表48-4 闭环5v副方侧输入输出数据vi/v80100120vo/v12.2412.4512.76图48-19 设计电路闭环时12v特性曲线图48-20 设计电路闭环时5v特性曲线六、实验分析1. 从波形图可以看出，开环时，当系统输入最低输入电压80v时，vce是严格的方波波形，也就是说可以自激起振。由表48-1所示的开环特性，可以看出输出电压随着输入电压的升高而升高，且随着输入电压的升高与额定输出电压差值越来越大，由此可知基本没有稳压能力。由表48-2的所示的加入变压器负反馈后的闭环特性，可以看出输出电压的变化范围比开环时小且与额定输出电压的差值明显减小，比开环有更好的稳压特性

16、，但仍然没有很好的稳压效果。由表48-3可知，加入霍尔传感器与运放的负反馈电路后，随着输入电压的变化，输出电压基本维持在vref =12 v ，具有较好的稳压特性。实验心得与体会这次的电力电子设计性实验真的让我感触良多。在这次实验中，我们小组最失败的不是实验完成的不理想而是花了太多的时间在选题上。在老师讲解设计性实验的课堂上给了我们一些实验题目供我们选择，但或许就是因为选择性太多导致我们迟迟无法决定到底选择哪个实验。实验开始前，鉴于老师的建议，我们提出了多个方案。包括“带功率因数校正的整流电路设计及研究”、“电动机速度开环控制和闭环控制系统”、“dc/dc单端反激式变换电路设计实验”等等。在开

17、题报告的确定过程中，我们去实验室进行了实地考察，了解了实验设备，发现了许多问题。关于“带功率因数校正的整流电路设计及研究”，我们了解了实验室提供的器材和设备，由于实验需要自己搭建电路，而电路又较复杂，为了电路的正常工作，最好是由我们动手焊接电路板，而这个问题，仅有的三个星期时间还是很难解决的。关于电动机速度开环控制和闭环控制系统，考虑到当时对于电拖这门课认识的还不够深入，最终还是放弃了。于是，我们又进一步对自己的方案进行了深入的可行性分析，最后，由于时间紧迫，经过小组讨论，我们确定了“dc/dc单端反激式变换电路设计实验”方案。由于在选题上花费了很多时间造成我们在真正设计实验电路上反而显得有些

18、仓促了。尽管最后还是顺利完成了实验，但是像我们小组这样花大把时间在选题上真的是得不偿失，选题的确不该草率，但是实验的重点还是应该在创新设计上。在“dc/dc单端反激式变换电路设计实验”过程中，我们明确分工、相互合作。在具体实验过程中，我们还是遇到了许多问题。比如怎样把霍尔传感器反馈连接到实验电路板上，比如波形显示非常不稳定的问题，通过我们自己的思考和多次的试验，最后终于完成了实验任务。关于实验电路的连接问题，由于有些实验电路板比较老旧很多节点都已经被磨平给我们的连线造成了很大的困难。特别是在做霍尔传感器反馈的时候，我们自己设计的差分放大器是在面包板上的，但是面包板和实验电路板之间根本没有匹配的

19、导线可供使用，最后实在是没有办法，还是曾楚云同学当机立断选择剪开一部分导线直接连接，如此才算是解决了这个问题。关于波形显示的问题，一开始我们在做自激振荡的时候，正确的波形总是出现个几秒又立刻消失不见，只剩下干扰信号，让我们一点办法没有，最后我们三人又是换电路板又是换导线终于让干扰信号消失得到了正确的波形。电力电子学这门课程的实用性很强，因此实验就显得非常重要。刚开始做实验的时候，由于自己的理论知识有限，在实验过程中遇到了许多难题。这也使我感到了理论知识的重要性。但是我并没有气馁，在实验中发现问题，自己看书，独立思考；实在无法解决的问题就向老师和同学求助，最终解决问题。在这种情况下，我更加加深了对课本理论知