功率电子学实验报告

1、功率电子学实验报告作者: 日期:南京航空航天大学功率电子学赵铭鑫实验报告学生姓名SZ1703066自动化学院电气工程 电气7班0一七年- -L实验BUCK变换器及其控制技术的研究1. 实验目的(1)理解电压控制型芯片脉宽调制原理;(2)加深对降压式(Buck)直直变换器工作原理及特性的理解。2. 实验原理IQIC|LUiR UoBuck降压式直直变换器主电路拓扑如图1所示，电感电流工作在连续模式下的主电波形图如图CCM )。从电路图2所示。在开关管 Q关断期间，电感电流始终不小于零的状态称为连续导通模式(中可以看到当开关管 Q导通时，二极管 D反向截止，当开关管 Q截止时，二极管 D正向导通，

2、使电感L中流过不间断的电流。稳态运行时，根据法拉第定律，电感电压一个周期内的伏秒积等于零，有如下式(Ui -Uo)DT Uo(1-D)T此时，输出电压与输入电压的比值是UfD因此，输出电压总是小于输入电压。如果输出电流较小或者开关频率较低，在开关管Q关断期间，电感电流在部分时间内等于零，变换器就工作在断续导通模式(DCM )。此时，输出电压和输入电压之间关系是Uo12Ui 1 lo/(4lGmaxD)式中，Ui是输入电压，Uo是输出电压，D=T on/T为占空度，Ton是开关管导通时间，T是开关管 控制信号周期，Io是输出电流，iGmax是电感临界连续电流的最大值。3. 实验内容(1)PWM控

3、制芯片SG3525的工作原理和控制电路原理实验;观测开环控制下、电感电流连续时Buck变换器主电路各工作器件的电压状态、各支路电流状态;观测输出电压纹波，观测开关频率对电感电流连续状态的影响;研究开环控制下、电感电流连续工作时Buck变换器输入输出的基本电量关系和外特性;观测开环控制下、电感电流断续工作时Buck变换器主电路的电量关系和各工作器件的电压状态;研究闭环控制下电压调整率及外特性;(7)电感量设计实验。电感设计的条件为:30V输入电压，15V输出电压，50Khz工作频率，设计输出滤波电感值， 使得当输出电流为 0.2A时电感电流临界连续，并作出设计报告。并根据设计结果采用相应的电感量

4、验证设计结果是否满足设计的技术要求。NMCL-SAA降压式(BUCK )变换器实验箱C入电IB-n - 苗 GnN r-：OFFJi? qtLf主电降轍出反信号hlrL檳制电s血VccOSI闭 坪o4圧Ucci ；JXUliJ11_补*wajA 1AAWACrIt出B*电fl占fh案i15-111JSG35J5KtVnnR9叫RIOC4PWW液 R门叫;OBUCK CONVERTER EXPEHtMENTAL BOX图3降压式(Buck)变换器实验箱4. 实验步骤1将BUCK变换器挂箱的所有开关关闭后再接线。2、控制电路接 20V直流电压，调节电位器 RW1，用示波器观察并记录占空比为某一定值

5、时SG3525PWM 波计算 PWM波频率。各管脚波形及驱动电路输出波形。 注意观察SG3525的9脚、5脚波形和输出波形之间的关系， 理解SG3525 芯片PWM波产生过程。调节 RW2观测PWM波频率的变化，通过测得的3、控制电路接20V直流电压，主电路接 20-30V可调直流电压，降压式（Buck ）变换器实挂箱如图3所示，主电路供电电压是20V30V可调直流电压，控制电路供电电压是20V直流电压，主电路中R1、R2、R3为三条支路电流的采样电阻，阻值为0.5 Q,主电路输出端需外接可调电阻器和直流电压电流表箱。面板上主电路输出电压 Uo与控制电路开关 S3左侧的主电路输出反馈信号U。在

6、挂箱内部已经连接好，开关 S3拨向“开环”则主电路工作在开环状态，S3拨向“闭环”则主电路工作在闭环状态，此时主电路输出电压 Uo就直接加在控制电路 RW1电位器上，RW1旋钮可调节 RW1电位器的阻值,RW2旋钮可调节RW2电位器的阻值。（一）开环状态（1）电感电流连续情况：打开主电路电源，使主电路工作电压为25V，观察电感支路的电流波形，调节负载，使电感工作在电流连续情况下。用示波器观察并记录占空比为某一定值时场效应管漏源极与栅级间电压波形及它们之间的 关系，理解场效应管的工作原理。Buck变换器主电路各工作器件的电压观察并记录输入电流波形、电感支路、场效应管支路、二极管支路的电流波形，观

7、测电感两端、二极管两端、负载两端的电压波形，理解变换器工作原理。观测状态、各支路电流状态和 Buck变换器输入输出的基本电量关系和外特性；用示波器交流档观察输出电压纹波 UPP。观测主电路输出电压随占空比D的变化情况，画出曲线,理解主电路的工作原理。（2）电感电流断续情况：改变负载，使电感电流断续，场效应管漏源极波形情况，观测电感支路、场效应管支路、二极管支路 的电流波形，观测电感两端、二极管两端、负载两端的电压波形，理解工作过程。观测主电路输出电压随占空比D的变化情况，理解主电路的工作原理。把L1、L2同时串入主电路中观测电感电流连续点变化情况。（3）变频观察电感电流连续点变化情况。调节RW

8、1使频率f=50KHz，调节负载，使电感电流波形处于临界连续状态，调节频率，当电感电流波 形由临界连续变为断续时记录此时频率值，（4）重新选择主电路电感观测波形：（二）闭环状态打到闭环单环控制状态。调节电位器思考频率变化对电感电流连续点的影响。15V。调节主电路输入电压由20V变到RW1，使主电路输出电压达到30V，观测占空比的变化及输出电压变化值。以此观察输出电压的稳定性，理解闭环控制原理。将输入电压重新调到 25V （输出仍为15V），改变负载阻值，观察并记录输出电流与电压的变化关系。观测闭环状态下 Buck电路的输入电流波形和输出电压波形。（三）电感量设计实验。电感设计的条件为:30V输

9、入电压，15V输出电压，50Khz工作频率,设计输出滤波电感值，使得当输出电流为0.2A时电感电流临界连续，并作出设计报告。并根据设计结果采用相应的电感量验证设计结果是否满足设计的技术要求。5. 实验结果1、开环实验波形 波形；图4为二极管两端的电流波形；图 5所示开关管栅源电压波形；图 6为开关管漏源两端电 压波形；图7为输出电压纹波。图2为驱动电压波形，图 3为输出电压波形；图 4为二极管两端的电流波形；图5所示开关管栅源电压波形；图6为开关管漏源两端电压波形；图7为输出电压纹波。图2场效应管漏源两端电压波形图3场效应管栅源两端电压波形图4二极管电流波形图5晶体管栅源两端波形i二 F rI

10、r:TTUpp : 1：V/div - 1 .10us/div图7输出电压纹波图6晶体管漏源两端波形ifl图8输出电压与占空比的关系曲线1所示。3、开环状态下，输入电压为25V时，电压随占空比的变化关系如表根据表1作出输出电压随占空比变化的曲线，如图8所示。从图中可以看出，在输出电压Vo较大时,即电感电流连续的情况下，Vo与占空比D近似呈线性关系；而在电感电流断续时，相同的占空比下，其输出电压偏高。表1开环时输入电压恒定，输出电压与占空比的关系占空比D0.30.40.50.60.7输出电压Uo(V)8.19.1211.213.8315.634、闭环实验波形改变负载，所得出的输出电压大小如表2所

11、示，可见电压闭环控制效果良好。表1开环时输入电压恒定，输出电压与占空比的关系负载电流(A)0.060.080.100.120.14输出电压Uo(V)15.215.015.015.115.0Vo (1 Dmin )21 o(min) fs忌隊750UH【6】分析与讨论1、结合小信号建模、MATLAB仿真和实验，对 BUCK变换器进行分析，总结出变换器电压单环和电压电流双闭环工作时电压电流调节器参数的设计原则。1.1 BUCK主电路参数设计根据输入电压范围Vin(min)=20V，Vin(max)=30V，Vo=15V 及 Vo=DVin 得：Dmin=Vo/Vin(max)=15V/30V=0.

12、5，Dmax=Vo/Vin(min) =15V/20V=0.75。滤波电感L设计对于BUCK变换器，其工作状态分为连续模式和断续模式。断续模式时，变换器输出会出现失控或纹lo(min)=0.1A作为电感临界连续电流，得:波电流加大的问题。因此，通常设计工作在连续模式。本次试验,这里取L=750uH。 滤波电容C设计输出电容与输出纹波电压的大小有关。这里要求 Vo(p-p)w 100mV，取纹波电流为 20%lo(max)=0.2A，因此，电容的串联等效电阻满足:在工作频率大于20kHz时，电容的Vo(P P) 100mV0520%l0.2A .ESR与容量C满足：ESRnaxESR C (50

13、80) 10 6s因此，电容取值为:C (5080) 10 6s0.5(100 160)uF这里取C=200uF。1.2 BUCK电路小信号建模首先采用状态空间平均法对BUCK变换器进行小信号分析,其小信号模型如图9下:1: D+i (t)* Vgd (t)Vg(t)rid ” (C 士V(t)图9 BUCK变换器在电感电流连续模式下的小信号电路在CCM模式下，令Vg=0，并考虑电感的线圈电阻 Rl及电容C的寄生电阻Re，可求得占空比?到输出电压vo的小信号传递函数为:1 s/ ZCGvd(s) Vg 1 s/(Q 0)(s/0)2其中,10 TlcQo(L/R(Rl Rc)C从Gvd(s)的

14、传递函数可知，呈现低通滤波器的特性，在低频时增益较低。1.3 BUCK电路电压单环控制设计原则电压单环控制原理如图 10所示，图中Vm为锯齿波的峰峰值，通常取2.5V。ZC图10中环路增益T(s)为:Vref( S)I io (s)1V3dsfGd(S+*-V|S*环路增益T (S)；I H(S) h图10 BUCK单电压环的控制原理图T(s)1Gc(s)Gvd(s)H(s)从图10中可得:Vs)Vg(s)Gvg ( S)V(s) Zo(s) i?)(s) 1 TV(s)v?ref (s)TH(1 T)如果环路增益 T在输入电压扰动的频率范围内设计的很大，引入反馈控制后可以将输入电压扰动对输出

15、电压的作用抑制为1/(1+T)倍，将负载扰动对输出的作用抑制为1/(1 + T)倍；如果环路增益T在低频范围内设计的很大，可以减小输出电压的误差。因此，要达到闭环控制目的，其环路增益T要满足一定的条件： 环路增益在低频段要有高增益，呈现积分特性，提高系统型别，使系统成为无差系统; 环路增益在中频段要提供足够的相角裕度，使系统稳定； 环路增益在高频段要具有 -40dB/Dec的斜率，来快速衰减高频量。因此，可总结出 BUCK变换器闭环时调节器的参数设计原则为： 设置环路增益的穿越频率fc,通常取fc=fs/(45); 增加极点fcp 1,使fcp 1=fzc以消除滤波电容 ESR的影响； 在高频

16、处增益极点 fcp2,通常取fcp2=10fc,提高系统抑制高频噪声的能力； 在低于fc的频段，增加两零点1.4 BUCK电路闭环设计fz1, fz2，以获得足够的稳定裕度。1.4.1 BUCK电路单电压环设计当BUCK电路工作在开环状态时,递函数为：由小信号建模分析可知,BUCK电路的输出电压 V。对占空比d的传s/ zcGVd(s) Vg 1 s/(Q 0)(s/ 0)2其中,1 0 vTc在仿真时，Vg=30V , L=750uH ,Qo(L/R) (Rl ROCC=200uF, R=15 Q, Rl=0.05 Q, Rc=0.5Q,1zc 亠RcC由此参数作出Gvd(s)的波特图，如图

17、12(a)和(b)所示。从图4(a)得：变换器的低频增益为29.5dB ;谐振频率为398Hz，斜率为-40dB/sec；滤波电容C在1.6kHz处提供一个零点，斜率变为 裕度为70但是，变换器在低频时增益不足，因此，相角-20dB/sec；截止频率为 3.63kHz。从图12(b)得,需要加入补偿环节。相角f/Hz图12(a) BUCK变换器Gvd(f)的幅频特性曲线20log |Gvd (f )|/dBf/Hz图12(b) BUCK变换器Gvd(f)的相频特性曲线补偿后，要求低频时有高增益，截止频率在fc=fs/5=10kHz，即 |T(10kHz)|=1。由 |Gvd(10kHz)|=0

18、.323得:|Gc(10kHz)H|/Vm 1/|Gvd(10kHz)|1/0.32313(b)仿真时，取 Vref=5V，贝U H=Vrei/Vo=1/3，所以：|Gc(10kHz)|=23.23。通过计算，采用图13(a)与图的补偿方式下，各参数如表3所示。其环路增益特性曲线如图14(a)与(b)所示。表3各种补偿方式参数设计结果补偿方式原理图RiR2CiC2图 5(a)10k Q230 kQ1.5nF图 5(b)47 kQ33pF8.2nF从图13(a)和(b)可以看出： 两种补偿方式在低频段均具有高增益特性； 截止频率均在fs/5的附近，均具有较快的响应速度； 在高频段图13(b)的补

19、偿方式有-2的斜率，对干扰信号的抑制能力强。6Arg( T(f)/ f/Hz图13(b) BUCK变换器Gvd(f)的相频特性曲线1.5.2 BUCK电路电压电流双环的设计(1)对于电流内环，采用单极单零的补偿网络,如图14(b)所示。200020log |Ti (f )|/dB1000Gci( f)T血c000lliliil IliifilSli III IWii训li；!11|一10001 Mill Hirn HIM lllll I Ml IIIH11003 1e445 1e667 1e88f/Hz00-20%Arg( Ti(f)/ -500-1500100a a 皿f严3/, 45 J67/c81e41e61e8f/Hz图14(a)电流环调节器及开环增益的幅频特性图14(b)电流环调节器及开环增益的相频特性根据电流误差放大器的最大增益Gmax=62.5、