2010級
《訊號與控制綜合實驗》課程
實驗報告
(基本實驗四:電力電子基本實驗)
指導教師
日期 2023年5月
實驗成績
評閱人實驗評分表
一.實驗目的
1.掌握pwm控制晶元的工作原理和外圍電路的設計方法；
2.掌握控制電路除錯方法，了解其他pwm控制晶元的原理及設計原則。
二.實驗原理
見實驗指導書p.124-p.128
三.實驗內容
1.了解基於pwm晶元的控制電路的工作原理；
2.驗證該控制電路的反饋電壓調節脈寬功能，軟啟動功能，死區控制功能等。
四.實驗裝置
控制電源，具有pwm晶元及外圍電路的實驗板，示波器。
五.實驗步驟及資料記錄
將實驗板上 jp1的2、3兩口相連，選擇訊號頻率為10khz；將jp3的1,2口相連，選擇單路輸出模式
1. 占空比調節
啟動後，v1接入+5v，調節rp1，改變tp1的輸入電平，實測晶元反相輸入端vg=2.52v
圖28-1.鋸齒波波形
記錄開機後tp3電平變化時與之對應的輸出脈寬；
v1=2.30v , v2=2.52v, f=21.22khz
圖28-2. 占空比調節波形1
v1=2.42v,v2=2.56v
圖28-3. 占空比調節波形2
v1=2.39v, v2=2.53v
圖28-4. 占空比調節波形3
2.軟啟動
開機後，在tp4測得晶元正常輸出的鋸齒波，週期為100us，單路輸出波形如下：
圖28-5. 軟啟動波形
3.改變死區時間
將v1口懸空，此時晶元將以最大導通時間輸出，改變jp2的連線從而改變晶元ref的輸入電平，觀察占空比的變化
連線tp2的1,2腳，tp3=1.54v v，ton=26us
圖28-8.改變死區時間波形1
連線tp2的3,4腳，tp3=920mv，ton=62us
圖28-9.改變死區時間波形2
連線tp2的5.6腳，tp3=380mv，ton=78us
圖28-10.改變死區時間波形3
六.實驗資料分析
經對比分析實驗波形，可得出如下結論：
軟啟動時，隨著tp3（v4）的電壓逐漸下降，導通時間逐漸上公升，最終將實現軟啟動；
調節vf的電壓大小，可以改變占空比，且vf越大，導通時間越短。當vf≤2.52v時，由於存在死區，導通時間不會繼續增加；當vf繼續增加時，導通時間為0，不會再繼續減小。
通過改變ref引腳的輸入，可以改變死區時間，且ref引腳的輸入電壓越高，死區時間越長。
七.思考題
1．如何驗證你設計的pwm控制電路具有穩壓控制功能？
答：可以使用直流穩壓電源在電壓反饋端輸入一直流電壓，調節變阻器rp1的大小，vg端電壓固定於2.5v左右，當vf的電壓在2.
4v至2.5v變化時輸出的反饋電壓即發生改變，會使得輸出脈衝電壓的占空比發生改變。
2．如何驗證你設計的pwm控制電路具有保護功能？
答：可以在電流反饋i1或i2端加入一直流電壓模擬輸出電流。當直流電壓增大時會使得晶元啟動過電流保護功能使得輸出的脈衝電壓占空比減小。
當直流電壓繼續增大時，外圍電路啟動過電流封鎖功能，輸出的電壓占空比為0，同時燈亮。
3．以你自己的調查或觀察，舉例說明軟啟動的作用。
答：軟啟動過程中會出現一系列逐漸變寬的脈衝波形，使得占空比逐漸增大，輸出的直流電壓逐漸公升高。防止電路中出現較大的衝擊電流損壞元件。
4．說明限流執行時的pwm控制方式的變化
答：一旦電流過大時，將原來的pwm控制方式的穩壓執行方式轉換為限制電流的不穩壓方式，不再進行增大脈衝寬的穩壓pwm控制，轉換為電流增大而脈衝寬度減小的限流控制。
八.實驗總結
此實驗讓我進一步理解了pwm控制原理，初步接觸pwm控制晶元tl494，第一次使用此晶元調節波形時，遇到了一些困難，明白了要看懂電路的原理，調節時要小心仔細。這次試驗為以後的實驗打下基礎，之後的實驗調節波形時就較為順利。
一.實驗目的
1.驗證、研究dc/dc pwm公升、降壓變換電路的工作原理和特性；
2.進一步掌握pwm積體電路晶元的應用、設計原則；
3.了解電壓/電流感測器的選用原則，建立驅動電路的概念和要求；
4.掌握反饋環節與濾波電路的概念和設計原則。
二.實驗原理
pwm控制將寬度變化而頻率不變的脈衝作為電力電子變換電路中的功率開關管驅動訊號，控制開關管的通斷，通過調節開關驅動脈衝的寬度來控制變換器的輸出電壓。見實驗指導書p.65
三.實驗內容
1.了解熟悉buck變換器個環節之間的訊號幅值和功率關係，正確地設計並連線、除錯；
2.占空比與電流連續方面的研究，對應的個引數設計、實驗驗證；
3.控制器設計研究：開環特性、閉環特性、反饋環節的設計與選用。
四.實驗裝置
實驗電路板、控制電源、示波器、電壓/電流感測器。
五.實驗步驟及資料記錄
（1）連線buck電路，選取電容為100uf，電感10mh。
開環狀態下，調節vs=100v，負載電阻25ω，改變占空比d，記錄vo，io的變化。考慮到控制器輸出加了反相器，實際反映出來為電平觸發，此電路中理論調製比：
m=（1-d）vin
表29-1.開環時vo-d
圖29-1.開環時vo-d特性
以下為實驗波形：
圖29-2.pwm波形1
此時對應輸入輸出為vi=100v vo=50v ii=0.1a io=0.20a
圖29-3.pwm波形2
此時對應輸入輸出為vi=100v vo=70v ii=0.2a io=0.30a
圖29-4.pwm波形3
此時對應輸入輸出為vi=100v vo=30v ii=0.07a io=0.10a
（2）開環狀態下，調節d=0.5，輸入電壓vs=100v，改變負載電阻，當ro逐漸增大，輸出電流減小，電感電流減小直至出現斷流現象，記錄vo，io的變化。
表29-2.開環時vo-r
由資料可得到，當負載較大時（ro較小），m=d；當負載減小（ro增大），m＞d
（3）buck電路的閉環執行
取樣環節設計：輸出電壓vo經過霍爾電壓感測器後由50ω/500ω分壓作為反饋訊號，反饋係數h=0.1
給定電壓：v1輸入5v電平，經rp1分壓得到2.5v訊號作為vref
控制器設計：tl494的1腳接vf 2腳接vref 2、3腳短接，此時電壓調節器構成一反向的單比例控制環節
取vs=100v，測得vo=18v ii=0.02a io=0.1a
與理論給定25v比較，存在7v的穩態誤差，可通過增大控制器比例係數k來減小穩態誤差或採用一定引數的pi控制器來消除穩態誤差。
實驗占空比輸出如下：
圖29-5.閉環pwm波形
六.實驗資料分析
由實驗（1）、（2）可得，buck電路在開環時，並且電流連續工作狀態下，變壓比m=vo/vs=d；
由實驗（3）可得，臨界負載電流iob=vo(1-d)/2lf=0.125a，當負載電流io＜iob時，buck電路工作在斷流工作情況下，此時變壓比m＞d。
由實驗（4）、（5）可得，buck電路在閉環工作時，通過反饋作用，能夠自動調節輸出電壓，使vo不隨vs，ro的變化而變化。
七、實驗思考題
1. buck電路中的電感電流連續與否會有什麼影響？哪些引數會影響電流連續？實驗如何保證電流連續？
答：電感電流連續時變壓比等於占空比，不連續時變壓比大於占空比。
vo，l，f，d四個量會影響電流連續，為保證電流連續，需控制負載電阻不要過大。
2. boost電路中，為什麼d不能等於1？實驗中如何保證d不等於1？
答：在每乙個開關週期中，電感l都有乙個儲能和能量通過二極體d的釋放過程，也就是說必有能量送到負載端。否則的話，會使vo不斷公升高，最後使變換器損壞。
實際工作中，為了防止輸出電壓過高，boost電路不宜在占空比d接近於1的情況下工作。利用死區時間可以使得d不接近1
3. 兩種電路中l和c的設計應滿足什麼原則？
答：滿足電壓紋波的要求，保證電流連續。
4. 實驗電路中，開關管的驅動電路的要求有哪些？
答：本實驗電路的開關管為三極體。驅動電路的要求為：
（1）控制電路和驅動電路之間要有良好的電氣隔離；
（2）開通時延要小；
（3）工作頻率範圍要足夠；
（4）輸出電壓大小波形合理；
5. 實驗電路中，感測器選取有哪些原則？
答：精度高、原邊與副邊完全隔離、動態效能好、可靠性高以及抗電磁干擾能力強。選取的感測器的量程應大於被測量，但不能過大。當感測器用於反饋時還需要考慮感測器的動態響應效能。
八、實驗總結
此實驗較為簡單，實驗過程較為順利。值得注意的是，此次實驗提供的開關管mosfet與課本上的電路圖使用的mosfet不同，占空比的波形不一樣，故要具體情況具體分析。
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