功率电子学实验报告

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1、航空航天大学功率电子学实验报告学生铭鑫学 号SZ1703066学 院自动化学院专 业电气工程班 级电气7班二一七年十一月- 9 - / 12实验一 BUCK变换器与其控制技术的研究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与特性的理解。2. 实验原理图1 Buck直直变换器主电路拓扑图2Buck直直变换器电感电流连续时波形图Buck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（CCM）。从电路图中可以看到当开关管Q导通时，二极管D反向

2、截止，当开关管Q截止时，二极管D正向导通，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，电感电压一个周期的伏秒积等于零，有如下式此时，输出电压与输入电压的比值是因此，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式中，Ui是输入电压，Uo是输出电压，D=TON/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. 实验容（1）PWM控制芯片SG3525的工作原理和控制电路原理实验；（2）观

3、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；（3）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；（4）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；（5）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；（6）研究闭环控制下电压调整率与外特性；（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验证设计结果是否满足设计的技术

4、要求。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时SG3525各管脚波形与驱动电路输出波形。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PWM波计算PWM波频率。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

5、为三条支路电流的采样电阻，阻值为0.5，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Uo在挂箱部已经连接好，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与

6、它们之间的关系，理解场效应管的工作原理。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Buck变换器主电路各工作器件的电压状态、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

7、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RW1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，思考频率变化对电感电流连续点的影响。（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RW1，使主电路输出电压达到15V。调节主电路输入电压由20V变到30V，观测占空比的变化与输出电压变化值。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

8、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

9、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图6 晶体管漏源两端波形图7 输出电压纹波图8 输出电压与占空比的关系曲线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1所示。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，一样的占空比下，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）8.19.1211.213.8315.63

10、4、闭环实验波形改变负载，所得出的输出电压大小如表2所示，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）15.215.015.015.115.06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围Vin(min)=20V，Vin(max)=30V，Vo=15V与Vo=DVin得：Dmin=Vo/Vin(max)=15V/30V=0.5，Dmax=Vo/

11、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，Io(min)=0.1A作为电感临界连续电流，得：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)100mV，取纹波电流为20%Io(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ESR与容量C满足：因此，电容取值为：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

12、小信号分析，其小信号模型如图9下：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=0，并考虑电感的线圈电阻RL与电容C的寄生电阻Re，可求得占空比到输出电压的小信号传递函数为：其中，从Gvd(s)的传递函数可知，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。图10 BUCK单电压环的控制原理图图10中环路增益T(s)为：从图10中可得：如果环路增益T在输入电压扰动的频率围设计的很大，引入反馈控制后可以将输入电压扰动对输出电压的作用抑制为1/(1+T)倍，将负载扰动对

13、输出的作用抑制为1/(1+T)倍；如果环路增益T在低频围设计的很大，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fcp1，使fcp1=fzc以消除滤波电容ESR的影响；在高频处增益极点fcp2，通常取fcp2=10fc，提高系统抑制高频噪声的能力；在

14、低于fc的频段，增加两零点fz1，fz2，以获得足够的稳定裕度。1.4 BUCK电路闭环设计1.4.1 BUCK电路单电压环设计当BUCK电路工作在开环状态时，由小信号建模分析可知，BUCK电路的输出电压vo对占空比d的传递函数为：其中，在仿真时，Vg=30V，L=750uH，C=200uF，R=15，RL=0.05，Rc=0.5，由此参数作出Gvd(s)的波特图，如图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-20dB/sec；截止频率为3.63kHz。从图12(b)

15、得，相角裕度为70。但是，变换器在低频时增益不足，因此，需要加入补偿环节。图12(a) BUCK变换器Gvd(f)的幅频特性曲线图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)|=0.323得：仿真时，取Vref=5V，则H=Vref/Vo=1/3，所以：|Gc(10kHz)|=23.23。通过计算，采用图13(a)与图13(b)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R1R2C1C2图5(

16、a)10k230 k1.5nF图5(b)2 k47 k33pF8.2nF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)的补偿方式有-2的斜率，对干扰信号的抑制能力强。图13(a) BUCK变换器Gvd(f)的幅频特性曲线图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)对于电流环，采用单极单零的补偿网络，如图14(b)所示。图14(a) 电流环调节器与开环增益的幅频特性图14(b) 电流环调节器与开环增益的相频特性根据电流误差放大器的最大增益Gmax

17、=62.5、截止频率fc=fs/(2Dmax)=10kHz与选取fz=fc/2，fp=fs可得： R1=2k，R2=125 k，C1=25pF，C2=240pF。其电流环的调节器与开环增益Ti(s)的波特图如图7(a)和(b)所示。其中，输入最大电压Vgmax=30V，锯齿波峰峰值Vm=2.5V，采样电阻Rs=0.1。从图15中可以看出，经过补偿后，电流环的开环增益Ti(s)基本满足理想要求的特性。(2)在设计电压外环时，先要将电流环与主电路的等效功率级传递函数Aif(s)，然后进行电压环设计。对于电流环的闭环传递函数，采用双极点模型来近似：对于负载Z(s)：其中，R为负载电阻。2、比较电压单环和电压电流双闭环工作时变换器的动静态特性。2.1电压单环控制动态仿真图15给出了输入电压由20V跳变为30V突变时和负载从1A跳变为2A时的变换器的动态性能。电压由20V跳变为30V，超调为0.5V，负载从1A跳变为2A时，电压有0.25V下掉，调节时间很长，且伴有较大震荡。因此需要双闭环控制。图15 BUCK电路动态仿真图16 BUCK电路电压电流双环控制的动态仿真