电力电子课程设计.docx
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电力电子课程设计
苏州市职业大学
实习（实训）报告
名称电力电子技术实训－DC/DC变换器的设计与调试
2013年1月7日至2013年1月11日共1周
2013年1月7日-2013年1月11日
院 系电子信息工程系
班级11应用电子1班
姓名
系 主 任张红兵
教研室主任陆春妹
指导教师相会杰
苏州市职业大学
实习（实训）任务书
名称：
电力电子技术实训－DC/DC变换器的设计与调试
起讫时间：
2013年1月7日-2013年1月11日
院系：
电子信息工程系
班 级：
11应用电子1班
指导教师：
祁春清
系主任：
张红兵
目录
第一章绪论1
1.1电力电子学基础1
1.2电力电子在我国的应用1
第二章元器件介绍3
2.1三极管简介3
2.2三极管的工作原理3
2.3TL494简介4
2.3.1主要特性4
2.3.2工作原理简述5
2.3.3TL494脉冲控制6
第三章DC/DC变换器的技术指标及要求8
3.1DC/DC变换简介8
3.2降压式斩波器原理介绍8
3.3DC/DC变换原理图9
3.4DC/DC变换的工作原理9
第四章DC/DC变换器的调试与结果10
第五章心得体会11
第六章参考文献11
第一章绪论
1.1电力电子学基础
电力电子学（PowerElectronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。
1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。
这一观点被全世界普遍接受。
“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。
其涉及的内容包括系统与控制、电力电子器件和电力电子电路三个部分。
电力电子器件现已由以晶闸管为代表的第一代半控型器件发展到以功率晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）为代表的第二代全控型器件，并向着以功率集成电路为代表的第三代智能化器件迈进。
全控型电力电子器件可分为双极型（含功率晶体管，可关断晶闸管、静电感应式晶闸管）、单极型（含功率场效应晶体管、静电感应式晶体管）、复合型（含绝缘门双极晶体管、MOS控制晶体管）和功率集成电路四种类型。
功率集成电路是指功率器件和驱动电路、控制电路以及保护电路、诊断电路的集成。
1.2电力电子在我国的应用
虽然我国电力电子的开发研究已5O年历史，过去我们已经取得了长足的进步，但是与超大规模集成电路的发展一样，该领域科技发展速度太快加之我国财力和原有基础薄弱的限制，特别是面临国外高科技的冲击等原因。
我国电力电子有被“边缘化”的趋势，即各行各业都迫切需要。
但是各应用领域均没将其作为研究重点，国内解决不了就依靠进口。
应当承认，目前我们与国外先进水平的差距还是很大的。
当前存在的主要问题是：
目前我国生产的大多数电力电子产品和装置还主要基于晶闸管虽然也能制造一些高技术的电力电子产品和装置但是它们均是采用国外生产的电力电子器件和组件以组装集成的方式制造的特别是先进的全控型电力电子器件则全部依赖进口，而许多关系到国民经济命脉和国家安全的若干关键领域中的核心技术和软硬件，国外均是对我国进行控制和封锁的。
我们正面临着国际竞争的严峻形势。
特别是关系到国民经济命脉和国家安全的若干关键领域中的核心技术与国外先进水平的差距更大，迅速改变这一现状是我们面临挑战和义不容辞的任务。
过去我国国民经济各部门虽然引进了不少国外先进技术也强调了国产化的问题。
尽管它们中的绝大多数几年后都可以达到国产化率7O％的要求。
可是只要我们仔细分析一下。
就不难发现。
最终国外公司拒绝转让的技术和重要部件，均是涉及到高技术的电力电子及电力传动产品中的核心技术。
各应用领域所涉及到的关键电力电子技术可概括为：
大功率变流技术：
电力电子及其系统控制技术；大功率逆变器并网技术：
大功率全控电力电子器件和电力电子全数字控制技术等。
与国外的主要差距和存在的问题是：
全控电力电子器件国内不能制造；大功率变流器制造技术水平较低装置可靠性差：
电力电子全数字控制技术水平还处于初级阶段：
应用系统控制技术和系统控制软件水平较低；缺乏重大工程经验积累等。
高性能大功率变流装置目前几乎全部依靠进口。
关键字：
电力电子
第二章元器件介绍
2.1三极管简介
三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。
在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。
中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。
2.2三极管的工作原理
三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：
锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。
两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。
当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。
在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。
由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：
Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：
β1=Ic/Ib式中：
β1--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：
β=△Ic/△Ib。
式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。
三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。
2.3TL494简介
TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。
2.3.1主要特性
1、集成了全部的脉宽调制电路。
2、片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。
3、内置误差放大器。
4、内置5V参考基准电压源。
5、可调整死区时间。
6、内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。
7、推或拉两种输出方式。
图1TL494外形图图2TL494引脚图
2.3.2工作原理简述
TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：
输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。
功率输出管Q1和Q2受控于或非门。
当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。
当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。
参见下图：
图3信号波形图
它由振荡器、D触发器、死区时间比较器、PWM比较器、两个误差放大器、5V基准电压源和两个驱动三极管等组成。
TL494正常工作时，当输出脉冲的频率取决于5脚和6脚所接的电容和电阻，表达式为f≈1.1RTCT，在电容CT两端形成的是锯齿波，该锯齿波同时加给死区时间控制比较器和PWM比较器，死区时间控制比较器根据4脚所设置的电压大小输出脉冲的死区宽度，利用该脚可以设计电源的软启动电路、欠压或过压电路等。
输出调制脉冲宽度是由电容CT端的正向锯齿波和3、4脚输入的两个控制信号综合比较后确定的。
当外接控制信号电压大于5脚电压时，9、10脚输出脉冲为低电平（设9、10脚为跟随器输出接法），所以随着输入控制信号幅值的增加，
图4内部结构图
2.3.3TL494脉冲控制
控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。
死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。
当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：
当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。
两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。
误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。
当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。
若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。
如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。
输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。
在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。
这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。
TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的0—70℃温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供±5%的精确度。
第三章DC/DC变换器的技术指标及要求
3.1DC/DC变换简介
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
直流-直流变换器（DC-DCconverter）内部一般具有PWM（脉宽调制）模块，E/A（差错放大器模块），比较器模块等几大功能模块。
3.2降压式斩波器原理介绍
斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制。
（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压
U0小于输入电压Ui，极性相同。
（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压
U0大于输入电压Ui，极性相同。
（3）Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其
输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。
（4）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电
压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。
还有Sepic、Zeta电路。
上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。
3.3DC/DC变换原理图
图5原理图
3.4DC/DC变换的工作原理
其工作原理为：
输出经过FB（反馈电路）接到FBpin，反馈电压VFB与设定好的比较电压Vcomp比较后，产生差错电压信号，差错电压信号输入到PWM模块，PWM根据差错电压的大小调节占空比，从而达到控制输出电压的目的，振荡器的作用是产生PWM工作频率的三角波，三角波经过斩波电压斩波后，产生方波，其方波就是控制MOSFET的导通时间从而控制输出电压的。
图6DC/DC变换器工作波形
第四章DC/DC变换器的调试与结果
图7实验波形图
+Vin
12V
15V
20V
23V
30V
Vo
5.03
4.98
4.99
5.08
5.06V
表1实验数据
第五章心得体会
此次电力电子让我学到了很多，因为背面的连线特别的细，所以第一次调试输出电压为0，经过仔细的查找，终于找到有其中一根线是断开的，通过这次的课程设计，我懂得了如何是看芯片的PDF文件，如何去网上找相关资料并从中筛选自己想要的内容，了解芯片内部结构，引脚功能，应用电路接法。
画PCB图和做电路板也比以前熟练，快很多。
电子电路的知识有了更深的认识和了解，学习到了基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握了模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。
学会了电路原理的设计方法和线路板的调试方法，更重要的是培养了我们的实践技能，电板的焊接能力也掌握的更加娴熟了，更加提高了本身的分析和解决实际问题的能力。
第六章参考文献
（1）电力电子基础曹丰文祈春清刘振来中国电力出版社2007.8
（2）《TL494的功能与检测方法》张国栋2003.11
（3）《电力电子学与直流斩波》北方交通大学朱世岭机械工业出版社
（4）《现代电力电子技术》赵良炳清华大学出版社1995
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