开关电源实验指导.docx

1、开关电源实验指导开关电源技术实验指导书信息工程学院电气及自动化教研室2.0418实验一 电流控制型脉宽调制开关稳压电源研究一.实验目的1掌握电流控制型脉宽调制开关电源的工作原理，特点与构成。熟悉电流控制型脉宽调制芯片UC3842的工作原理与使用方法。掌握开关电源的调试方法与参数测试方法。二实验内容利用芯片UC38,连接实验线路,构成一个实用的开关稳压电源电路。2芯片UC3842的波形与性能测试（1）开启与关闭阀值电压。(2）锯齿波,包括周期、占空比、幅值等，并与理论值相比较。(3）不同负载以及不同交流输入电压时的输出PWM波形,并与正确波形相对比。(4）反馈电压端(即U8422号脚)与电源端（

2、即号脚）波形。（5）输出PW脉冲封锁方法测试。3.开关电源波形测试()GTR集电极电流与集-射极电压波形。(2）变压器原边绕组两端波形。（3）输出电压V波形。4开关电源性能测试（)电压调整率(抗电压波动能力）测试。()负载调整率(抗负载波动能力）测试。(3)缓冲电路性能测试。三实验系统组成及工作原理电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域。其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高,体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛的应用。开关电源的控制电路可分为电压控制型和电流控制型。前者是一个单闭环电压控制系统，后者是一个电压、电流双闭环控制系统,电流控制型较电压控制型有不可比拟的优点。具体实验原理可参见

3、附录。具体线路见图54。四.实验设备和仪器1MCL-8直流斩波及开关电源实验挂箱2.双踪示波器.万用表五.实验方法1认真阅读实验指导书，掌握开关电源的工作原理。.开启阀值电压测试将“10”与“11”、“6”与“9”、“12”与“13”、“14”与“5”相连。162131415电位器P和RP都左旋到底。合上电源后,用示波器观察“7”与“6”(锯齿波）及“10”与“16”(C3842电源电压）波形，将RP2顺时针慢慢旋转，直到锯齿波刚产生为止,用万用表测出“10”与“16”之间电压,该电压即为开启阀值电压UT。UT=3.芯片U3842的波形与性能测试（1)测试端锯齿波的周期T，幅值Vp-p与占空比

4、D。(ms）Vp-p(V)(2)不同直流输入电压时的输出P波形。开关电源工作后,用万用表测“1”与“16”端间电压，该电压即为直流输入电压Vd,用示波器观察“12”与“16”及“7”与“1”之间波形，然后将RP1顺时针慢慢旋转,边旋转边观察，并记录输出WM波形的变化情况，一直观察到Vd约减小0时止，同时测量d变化前后的“8”与“16”及“10”与“16”间电压值。测试结束后,将RP1左旋到底。Vd变化前Vd变化后Vdd8.168.1V1.V11(3)不同负载变化时的输出PWM波形左旋到底,观察波形同上。3顺时针慢慢旋转,边旋转边观察，并记录输出M波形的变化情况,一直观察到该电位器顺时针旋转到底

5、为止,这时候负载增大了约25%，同时测量负载变化前后的“8”与“16”及“10”与“16”之间电压值。负载变化前负载变化后V.16V816V106116(4)不同直流输入电压时的反馈电压端(8端)与电源端(10端)波形减小直流输入电压Vd,同时观察并记录8与1及10与16间波形，直到V约减小20%时止，测试结束后，将P1左旋到底。（）输出PW脉冲封锁方法测试a改变3脚电压封锁输出脉冲，将“14”与“5”断开，“5”与“1”相连，电位器P4左旋到底，用示波器观察“7”端锯齿波。将RP顺时针慢慢旋转，直到锯齿波完全消失时止，测出“5”与“16”间电压，该电压即为3脚的输出脉冲封锁电压。U3=b改变

6、脚电平封锁输出脉冲“5”与“14”、“6”与“”断开,“4”与“15”、“5”与“9”相连,P4右旋到底。观察波形同上,将RP4逆时针慢慢旋转,直到锯齿波完全消失时止,测出“5”与“16”间电压,该电压即为1脚的输出脉冲封锁电压。U1=.开关电源波形测试将“5”与“9”断开，“”与“9”相连（1）用示波器观察“5”与“6”及“2”与“6”间波形。(2)用示波器观察“”与“2”间波形。(）用示波器观察输出电压O波形。5开关电源性能测试(1）电压调整率（抗电压波动能力）测试调节R1使d减小20%，用万用表测量V改变前后的输出电压VO1和V2，则电压调整率为。V1(V）O2（V）电压调整率(2)负载

7、调整率（抗负载波动能力）测试将RP3左旋到底，用万用表测量输出电压（设为VO1)，再将RP3右旋到底（负载增加约2%)，测量输出电压(设为V2），则负载调整率为。V1（V)VO2(）负载调整率（3）缓冲电路性能测试在开关S1合上（+C7=0.1F）与断开(1=100P)条件下，观察“”与“16”间波形变化。六实验报告1.列出开启阀值电压值以及3脚与1脚的脉冲封锁电压值。2画出UC342的4脚的锯齿波，并注明周期、幅值，占空比等。3画出所测的各点波形。根据实际测量值,计算出电压调整率与负载调整率,并就这两个指标对实验系统这种类型的开关电源所适用的场合作出评价。5试分析直流输入电压与负载变化时，开

8、关电源的稳压调节过程。.你对实验中一些感兴趣现象的分析。实验收获、体会和意见。七.思考题1缓冲电路中的电阻R=.k,您能否根据不同缓冲电容所观察的GR集-射极波形,分析如何合理地选用缓冲电阻与电容值。2有人为了简化电路,不用反馈绕组,而是将电容C6增大,这时候系统能否稳定工作,为什么?实验二 直流斩波电路（Bost变换器)研究一.实验目的1.掌握ckBoost变换器的工作原理、特点与电路组成。2熟悉Buckoot变换器连续与不连续工作模式的工作波形图。3掌握Buckost变换器的调试方法。实验内容1连接实验线路，构成一个实用的BuckBoo变换器。2.调节占空比，测出电感电流L处于连续与不连续

9、临界状态时的占空比D,并与理论值相比较。3将电感L增大一倍，测出i处于连续与不连续临界状态时的占空比D，并与理论值相比较。4测出连续与不连续工作状态时的be、Vce、VD、L、iL、iC、iD等波形。5.测出直流电压增益M=VOS与占空比的函数关系。6.测试输入、输出滤波环节分别对输入电流i与输出电流iO影响。三.实验线路见图55。四.实验设备和仪器1-0直流斩波及开关电源实验挂箱2万用表双踪示波器五实验方法1检查PW信号发生器与驱动电路工作是否正常连接有关线路，观察信号发生器输出与驱动电路的输出波形是否正常，如有异常现象,则先设法排除故障。2电感1.6m,电感电流i处于连续与不连续临界状态时

10、的占空比D测试将“6”与“”、“1”与“4”、“22”与“5”、“1”与“6”、“1”与“4”、“9”与“12”相连，即按照以下表格连线。 6 18214256112合上开关S1与2、S3、S4,用示波器观察“7”与“13”（即iL)之间波形,然后调节R使L处于连续与不连续的临界状态,记录这时候的占空比D与工作周期。3.L=1.6H,测出处于连续与不连续临界工作状态时的V、Vce、VD、iL、C、D等波形调节RP1，使iL处于连续与不连续临界工作状态，用示波器测出R基-射极电压Ve与集射极电压Vce；二极管D阴极与阳极之间电压D；电感3两端电压VL;电感电流;三极管集电极电流iC以及二极管电流

11、iD等波形。4L=1.6mH,测出连续工作状态时的Vb、Vce、D、iL、C、iD等波形调节R1，使i处于连续工作状态，用双踪示波器观察上述波形。5L=mH,测出不连续工作状态时的Vbe、V、VD、iL、C、i等波形调节,使L处于不连续工作状态，用双踪示波器观察上述波形。.L=.6mH，L处于连续与不连续临界状态时的占空比D测试将开关断开，观察iL波形,调节RP1，使iL处于连续与不连续的临界状态,记录这时候的占空比D与工作周期T。7=.，测出连续工作状态时的Vbe、V、VD、iL、iC、等波形调节RP1,使iL处于连续工作状态,测试方法同前。8.=3.2m，测出不连续工作状态时的be、Vce

12、、VD、i、i、i等波形9.测出=VO/V与占空比D的函数关系（1）L=16m,占空比D从最小到最大范围内,测试56个D数据,以及与此对应的输出电压VO。D（）()L=3.2mH，测试方法同上。DVo（）9输入滤波器功能测试有与没有输入滤波器时，电源电流（即1514两端）波形测试。10.输出滤波器功能测试有与没有输出滤波器时,输出电流纹波测试。五实验报告分别在L16H与3.条件下，列出L连续与不连续临界状态时的占空比D,并与理论值相比较。理论上iL连续与断续的临界条件为LC=(-)2/2,式中L=RT为连续与断续临界状态时的临界时间常数,负载电阻R=300，工作周期T按实测数据。画出不同L,连

13、续与断续时的Vb、Vce、L、iC、iD等波形,并与理论上的正确波形相比较。3.根据不同的L值,按所测的D,VO值计算出M值,列出表格,并画出曲线。连续工作状态时的直流电压增益表达式为M/（1-D）,请在同一图上画出该曲线,并在图上注明连续工作与断续工作区间。.试对Bck-Boost变换器的优缺点作一评述。.试说明输入、输出滤波器在该变换中起何作用?6.实验的收获、体会与改进意见。六思考题试分析连续工作状态时,输出电压VO由哪个参数决定？当断续工作状态时,VO又由哪些参数决定?实验三移相控制全桥零电压开关PW变换器研究一实验目的掌握移相控制全桥零电压开关PWM变换器（简称PFBZV-PW变换器

14、）的组成，工作原理与波形。.熟悉移相控制零电压开关（ZS）专用集成芯片U875的工作原理与使用方法。掌握PS-F-ZVS-PWM变换器的调试方法，主要参数变化对实现ZVS的影响。二实验内容熟悉实验系统面板布置并连接实验线路,构成一个实用的PS-F-ZVS-PWM变换器。2芯片C38的波形与性能测试：（1)谐振频率与锯齿波的周期与幅值。(）输出脉冲的相位与死区时间。(3） 管脚2,3(1端），4，的电压值。3变换器波形测试：(1) 两个桥臂开关管的驱动波形与其漏源电压波形。（） 逆变桥输出电压UB与输出变压器原边电压波形。(3） 输出变压器副边整流后的电压与输出直流电压波形。(4） 输出变压器原

15、边电流波形。4电路参数变化对实现零电压开关性能影响的测试：（1）当谐振电感、主电路电压以及负载变化时对实现零电压开关的影响。（2）当谐振电感、主电路电压以及负载变化时对占空比丢失的影响。三实验系统组成及工作原理电力电子技术的发展方向之一是高频化，其实现的途径，其一是发展高频化的开关器件与配套元件；其二是高频电力电子变换器电路拓扑的发展。后者主要指软开关技术的发展。应用软开关技术可以大幅度降低开关损耗和开关噪声，可使开关频率获得大幅度提高，从而可使电力变换器具有更高的效率、更高的功率密度、更高的可靠性以及可有效地减小电力变换器所引起的电磁污染和环境污染，为大力发展绿色电力电子产品提供了有效的途径

16、和方法。正因为软开关技术具有诸多的显著优点,因此该理论从80年代提出后受到了国内外科技界的极大重视，已成为当前电力电子变换器领域的热门研究技术。实验系统原理框图如图5-8所示。系统采用移相控制方式实现零电压开与关(简称ZS）。移相控制方式是近年来在全桥变换电路拓扑中广泛应用的一种软开关控制方式,它是谐振变换技术与常规M技术的巧妙结合,既实现了软开关又保持了常规全桥PWM变换电路所具有的拓扑结构简单、控制方式简单、开关频率恒定、元器件的电压和电流应力小等一系列优点。移相控制方式的基本工作原理为;每个桥臂的两个开关管180o互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个相位,即所谓移相角，通过调节此移相角的

17、大小,来调节输出电压脉冲宽度,从而达到调节输出电压的目的。移相控制软开关的一个特有现象，也可以说是其主要不足的是存在副边占空比丢失现象，即副边占空比小于原边的占空比,两者的差值通常用lss表示，而且谐振电感越大、负载越大、主电路电压越低则Dloss越大。系统工作原理如下：如果能使VT1与VT分别在VT2和VT4之前先关断,而后再关断VT2和VT，即可实现VS，为此可称V1与V3为超前桥臂，而VT2与VT则称滞后桥臂。两个桥臂开关管的软关断均靠与其并联的吸收电容(C1-C）实现，这是很显然的，因为当开关管导通时,与其并联的吸收电容两端电压为零，当其关断时,高频变压器原边电流对其充电,这样就限制了

18、该关断管子的电压上升率,从而实现了软关断。超前桥臂当VT1关断后,线路电感与开关管并联电容C1、C谐振,使C1充电，2放电，当2上电压下降到零时，变压器原边电流通过VD3与VT4续流,显然这时V3管两端电压近似为零,如果在续流期间开通VT,VT3就实现了零电压开通。VT3开通后,在变压器原边电流续流期间如果关断V4，这时谐振电感与电容、C发生谐振，即将原通过VT4的原边电流转移到2与C4支路中,即给C充电，同时给C2放电，当C4两端电压充电到主电路电源电压时(此时C2两端电压则放电到零）,与T2反并联的二极管V2自然导通，即这时原边电流通过V、VD3续流,如果在此期间开通V2，即实现了滞后桥臂

19、2的零电压开通。控制电路主要由芯片UC875与相关外围器件构成，3875是美国NITRDE公司专门为移相控制软开关所设计的，称为移相谐振控制器。芯片主要功能包括工作电源、基准电源、振荡器、锯齿波、误差放大器和软启动、移相控制信号发生电路、过流保护、死区时间设置、输出级等。在频率设置脚（16脚）与信号地D之间接一个电容和电阻,即可设置振荡频率,从而设置输出级的开关频率（注意：输出开关频率为振荡频率的2）。锯齿波斜率设置脚(18脚）与5V基准电源（脚)之间接一个电阻，再在锯齿波电压产生脚（19脚)与GD间接一个电容，即可设置锯齿波的幅值。误差放大器的同相输入端（4脚)接从基准电压处分压后得到的一个

20、固定电压，反相端(3脚）接由输出电压处分压后得到的反馈电压，误差放大器的输出(2脚）接到PW比较器的一端，与锯齿波电压相比较,以调节移相角的大小,从而达到调节输出电压的目的。可见,这样的接线构成了一个电压闭环的自动调压系统，调节反馈电压的大小，即可方便地调节输出电压的大小。芯片的1与13脚输出一对互补的方波信号UTA与OUTB,而9与脚则输出另一对互补的方波信号OUTC与OUD,且在相位上后者领先于前者,两者相差一个移相角。该移相角的大小决定于误差放大器的输出与锯齿波的交截点。为了防止同一桥臂的两个开关管同时导通，同时给开关管提供软开关时间,两个开关管的驱动信号之间应该设置一个死区时间。如果在

21、芯片的15脚、7脚与GN之间接一个电阻和电容，就可以分别为两对互补的输出OTA-、UT-D设置死区时间。有关U3875的更详细说明,可参阅有关资料和附录中的C3875芯片的介绍。四.实验设备和仪器1MCL7实验挂箱2.万用表3双踪示波器五实验方法1认真阅读实验指导书与有关资料,掌握移相控制全桥软开关变换器的基本工作原理、有关波形分析、参数变化对实现软开关的影响，并熟悉UC3875的管脚功能。2UC5的波形与性能测试。合上控制电源W3后即可进行下述测试:（1） 测量16脚的波形，读取该波形的最大与最小值及其周期时间。（2)测量9脚的波形,读取锯齿波的峰点与谷点电压及其周期时间。(3） 将脚与脚（

22、10端)对地短接,并用数字万用表和双线示波器测量:） 2脚的电压。b) 4、1脚与2脚及9、8脚与0脚的波形,读取脉冲幅值、死区时间与周期时间。c） 4与8脚及3与9脚的波形，记录其相位时序关系及占空比值（即14与8脚同为高电平的时间与半个周期时间之比)。() 将4脚对地的短接线去掉，用万用表和示波器测量：) 2、5脚的电压。b) 14与8脚及3与9脚的波形,记录其相位时序关系及此时的最大占空比。3变换器波形测试。将10端与地间的连线断开并与9端相连,再将6与7端相连,并将开关W1与S2断开。合上控制电源SW3与主回路电源S0,观察系统工作是否正常，待系统工作正常后,合上SW1，调节反馈电位器

23、RP，使输出（即与两端）电压为左右。（） 将示波器的地线接S3端，其他两个探头分别接3与A端，测量与描绘超前桥臂VT3的驱动波形与其漏源电压波形，仔细观察超前桥臂的零电压开与关的过程。(2) 用示波器测量与描绘滞后桥臂V4的驱动与其漏源电压波形,仔细观察滞后桥臂的零电压开与关的过程。(3）示波器地线接A端,另两个探头分别接7与端，即可测量与描绘输出电压UA与输出变压器原边电压T1波形,仔细观察两个波形的脉冲宽度,其差值即为副边脉冲丢失部分。(4）测量与描绘输出变压器副边整流后的与D端电压以及C与D端输出直流电压波形。(5）示波器地线接B端,另两端分别接端与4端,即可同时测量与描绘输出电压UAB

24、与原边电流i的波形。4.电路参数变化对实现零电压开关性能影响的测试。系统工作在开环状态(即9与10端的连续断开），分别在下列情况下测量UAB与原边电压UT1、UAB与原边电流iP以及滞后桥臂VT4的驱动与漏源电压波形。（1) 改变谐振电感,即谐振电感用L1+L2或L2时。(2) 改变负载大小，即将开关SW合上或断开时。(） 改变主回路电源电压,即将开关W1合上或断开时。六.实验报告1.画出C37 16脚与19脚的实测波形，注明锯齿波的峰点、谷点电压与周期时间。2.列出所测的UC37的 2、3（1端）、4、5脚电压及超前与滞后桥臂的死区时间。画出下列波形：（1) 在最小移相角(即脚电压为零）时的

25、14、13、8脚与地间波形。(2)在最大移相角（即2脚电压为最大）时的、1、9、8脚与地间波形。（3) 超前桥臂VT3与滞后桥臂V4的驱动及其漏源电压波形。（） 不同电路参数时的逆变桥输出电压B、输出变压器原边电压UT与原边电流P波形。（5)输出变压器副边整流后的电压与输出直流电压波形。实验的收获、体会与改进意见。七思考题1.两个桥臂的开关管如何实现零电压关断。2.为了可靠实现滞后桥臂的零电压开通应如何改变电路参数。3.当主电源电压或负载大小变化时,试简述系统的闭环调节过程。4.试分析副边占空比丢失与哪些参数有关,并对试验现象进行理论分析。 参考资料电流控制型脉宽调制器一般脉宽调制器是按反馈电

26、压来调节脉宽的。所谓电流控制型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此,无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型的控制器。一.U842脉宽调制器的工作原理及方框图342A是高性能固定频率电流型控制器。它们用于脱机和DDC的变换器，为设计人员提供了一种经济而所需外部元件又少的解决方案。这种集成电路的特点是有一个调定的振荡器,用来精确地控制占空比。有一个经过温度补偿的基准电压,一个高增益误

27、差放大器、电流传感比较器和一个适用于驱动功率MOSFE(金属氧化物半导体场效应晶体管)的大电流推挽输出。它还具有一些保护功能,其中包括各有其滞后的输入和基准电压的欠电压锁定、逐个周期的电流限制、可控制的输出死区时间和用来记录单脉冲的锁存器。图24示出U3842的内部方框图。由图可知,其引脚有8个,但一样可以使用内部/A误差放大器构成电压闭歪，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环。端为内部供外用(一般当参考电压）的基准电压5V，带载能力50A。端7为集成块工作电源VCC,可以在40，端4接T、C,确定锯齿波频率。端5为地。端6为推挽输出端,有拉、灌电流的力。由于误差放大器控制着电感电流峰值（

28、参见图25)，因此也是电流型脉冲宽度调制器。二U38脉宽调制器优点兹列下面几点分述之：（1）电压调整率(抗电压波动能力)很好利用这种型号的调制器很容易达到0.0l%/V的调整率。其原因是电压波动立即反映在电感电流的变化。不象其它方案要经过输出电压V反馈到误差放大器的调节的复杂过程。所以响应快,如果波动是持续的,电压反馈环也起作用，所以可以达到较高的线性调整率精度。(2)负载调整率改善明显因为误差放大器EA可专门用于控制占空比适应负载变化造成的输出电压变化，负载调整率好。一般调制器在轻载时输出电压V0会有一定的升高，使用本调制器可明显的减小。例如,从%的负载卸载3时,负载调整率只有8,卸载1时，负载调整率只有3。（3)误差放大器补偿电路（1、2端间RC)简化,频响特性好,稳定幅度大。由于电感电流是连续的,所以RS(可参见图2b）上所检测的电流峰值能代表平均电流,整个电路可以当成一个误差电压控制的电流源。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此增益带宽乘积提高，稳定幅度大,频率响应特性改善。（4)过流限制特性好从R测得的电流峰值信号快速参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。事实上只要RS的电平达到1，电流测定比较器立即动作，输出端6立即使导通管T关断。由于能精密地灵敏地限制输出