電力電子課程設計

1、<p><b>　　實習（實訓）報告</b></p><p>　　名稱 電力電子技術(shù)實訓－DC/DC變換器的設計與調(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 11應用電子1 班 </p><p>　　姓 名 </p><p><b>　　實習（實訓）任務書</b></p><p>　　名 稱： 電力電子技術(shù)實訓－DC/DC變

3、換器的設計與調(diào)試 </p><p>　　起訖時間：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： 11應用電子1班 </p><p><b>　　目錄</b></p>

4、<p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 電力電子學基礎1</p><p>　　1.2 電力電子在我國的應用1</p><p>　　第二章 元器件介紹3</p><p>　　2.1 三極管簡介3</p><p>　　2.2 三極管的工作原理

5、3</p><p>　　2.3 TL494簡介4</p><p>　　2.3.1主要特性4</p><p>　　2.3.2 工作原理簡述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)指標及要求8</p><p>　　3.1

6、 DC/DC變換簡介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11</p>&

7、lt;p>　　第六章 參考文獻11</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 電力電子學基礎</p><p>　　電力電子學（Power Electronics）這一名稱是在上世紀60年代出現(xiàn)的。1974年，美國的W.Newell用一個倒三角形（如圖）對電力電子學進行了描述，認為它是由電力學、電子學

8、和控制理論三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受?！半娏﹄娮訉W”和“電力電子技術(shù)”是分別從學術(shù)和工程技術(shù)2個不同的角度來稱呼的。</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）、功率場效應晶體管（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。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、靜電感應式晶閘管）、單極型（含功率場效應晶體管、靜電感應式晶體管）、復合型（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)動電路、控制電路以及保護電路、診斷電路的集成。</p><p>　　1.2 電力電子在我國的應用</p><p>　　雖然我國電力電子的開發(fā)研究

10、已5O年歷史，過去我們已經(jīng)取得了長足的進步，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財力和原有基礎薄弱的限制，特別是面臨國外高科技的沖擊等原因。我國電力電子有被“ 邊緣化” 的趨勢，即各行各業(yè)都迫切需要。但是各應用領(lǐng)域均沒將其作為研究重點，國內(nèi)解決不了就依靠進口。應當承認，目前我們與國外先進水平的差距還是很大的。當前存在的主要問題是：目前我國生產(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的全控型電力電子器件則全部依賴進口，而許多關(guān)系到國民經(jīng)濟命脈和國家安全的若干關(guān)鍵領(lǐng)域中的核心技術(shù)和軟硬件，國外均是對我國進行控制和封鎖的。我們正面臨著國際競爭的嚴峻形勢。特別是關(guān)系到國民經(jīng)濟命脈和國家安全的若干關(guān)鍵領(lǐng)域中的核心技術(shù)與國外先進水平的差距更大，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。過去我國國民經(jīng)濟各部門雖然引進了不少國外先進

12、技術(shù)也強調(diào)了國產(chǎn)化的問題。盡管它們中的絕大多數(shù)幾年后都可以達到國產(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 三極管簡介</p><p>　　三極管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。在半導體鍺或硅的單晶上制備兩

13、個能相互影響的PN結(jié)，組成一個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、振蕩或開關(guān)等作用的半導體電子器件。</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)生自由電子導電，而p是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導電）。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。對于NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，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b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點電位高于b點電位幾伏時，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，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控制雜質(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）很容易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(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)的電子大部分越過集電結(jié)進入集電區(qū)而形成集電極電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進行復合，被復合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補給，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，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的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簡介</p><p>　　TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(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（一個電阻和一個電容）。</p><p>　　3、內(nèi)置誤差放大器。</p><p>　　4、內(nèi)置5V參考基準電壓源。</p><p>　　5、

19、可調(diào)整死區(qū)時間。</p><p>　　6、內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動能力。</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 工作原理簡述</p><

20、;p>　　TL494是一個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，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：</p><p>　　輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。參

21、見下圖：</p><p><b>　　圖3 信號波形圖</b></p><p>　　它由振蕩器、D 觸發(fā)器、死區(qū)時 間比較器、PWM 比較器、兩個誤差放大器、5V 基準電壓源和兩個驅(qū)動三極 管等組成。 TL494 正常工作時， 當 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、該鋸齒波同時加給死區(qū)時間控制比較器和 PWM 比較器， 死區(qū)時間控制比較 器根據(jù) 4 腳所設置的電壓大小輸出脈沖的死區(qū)寬度， 利用該腳可以設計電 源的軟啟動電路、欠壓或過壓電路等。輸出調(diào)制脈沖寬度是由電容 CT 端 的正向鋸齒波和 3、4 腳輸入的兩個控制信號綜合比較后確定的。當外接 控制信號電壓大于 5 腳電壓時，9、10 腳輸出脈沖為低電平（設 9、10 腳 為跟隨器輸出接法），所以隨著輸入控制信號幅值的增加，</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>　　控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波周期的4%，當輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為

24、48%。當把死區(qū)時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手段：當反饋電壓從0.5V變化到3.5時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導通百分比時間中下降到零。兩個誤差放大器具有從-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行“或”運算，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>　　當比較器CT放電，一個正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進行計時，同時停止輸出管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，輸出驅(qū)動信號分別從晶體管Q1或

26、Q2取得。輸出變壓器一個反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當需要更高的驅(qū)動電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時，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5.0V的基準電壓源，使用外置偏置電路時，可提供高達10mA的負載電流，在典型的0—70℃溫度范圍50mV溫漂條件下，該基準電壓源能提供±5%的精確度

27、。</p><p>　　第三章DC/DC變換器的技術(shù)指標及要求</p><p>　　3.1 DC/DC變換簡介</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FB（反饋電路）接到FB pin，反饋電壓VFB與設定好的比較電壓Vcomp比較后，產(chǎn)生差錯電壓信號，差錯電壓信號輸入到PWM模塊，PWM根據(jù)差錯電壓的大小調(diào)節(jié)占空比，從而達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)過斬波電壓斬波后，產(chǎn)生方波，其方波就是控制MOSFET的導通時間從而控制

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 實驗波形圖</b></p><p><b>　　表1 實驗數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　第五章

33、心得體會</b></p><p>　　此次電力電子讓我學到了很多，因為背面的連線特別的細，所以第一次調(diào)試輸出電壓為0，經(jīng)過仔細的查找，終于找到有其中一根線是斷開的，通過這次的課程設計，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、知識有了更深的認識和了解，學習到了基本理論在實踐中綜合運用的初步經(jīng)驗，掌握了模擬電路設計的基本方法、設計步驟，培養(yǎng)綜合設計與調(diào)試能力。學會了電路原理的設計方法和線路板的調(diào)試方法，更重要的是培養(yǎng)了我們的實踐技能，電板的焊接能力也掌握的更加嫻熟了，更加提高了本身的分析和解決實際問題的能力。</p><p><b>　　第六章 參考文獻</b></p><p>　　(1)

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