1.实验目的
(1)熟悉直流斩波电路中的降压斩波电路(Buck Chopper)和升压斩波电路(Boost Chopper)的工作原理。
(2)掌握这两种基本斩波电路的工作状态和波形情况。
(3)了解PWM控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。
2.预习要点
1)控制与驱动电路
控制电路以SG3525为核心构成,SG3525为美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成电路,它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。
图1 控制及驱动电路图
调节PWM脉宽调节电位计,在VT-G和接地两端之间可输出一个占空比D可调的矩形波(即PWM信号)。它适用于各开关电源、斩波器的控制。
2)直流斩波器电路原理(使用一个探头观测波形)
(1)降压斩波电路(Buck Chopper)
降压斩波电路的原理图如图2所示。R为450Ω的电阻。其余电路中的电阻均为此电阻。
图 2 降压斩波电路的原理图
负载电压的平均值为:
上式中,ton为V处于通态的时间,toff为V处于断态的时间,T为开关周期,D为导通占空比,简称占空比或导通比(D=ton/T)。由此可知,输出到负载的电压平均值UO最大为Ui,若减小占空比D,则UO随之减小,由于输出电压低于输入电压,故称该电路为降压斩波电路。
(2)升压斩波电路(Boost Chopper)
升压斩波电路的原理图及工作波形如图3所示。
图 3 升压斩波电路的原理图
输出电压为:
上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路。
3.实验设备
电力电子实验台、直流斩波电路挂件(DJK20或NMCL-22)、三相可调电阻挂件D42(求是实验台不配备)、双踪示波器、万用表。
4.实验步骤
1)控制与驱动(SG3525芯片)电路的测试
(1)启动实验装置电源,天煌实验台还需开启DJK20控制电路电源开关。
(2)用示波器观测输出PWM信号,记录PWM信号波形的频率和幅值。
(3)调节PWM脉宽调节电位器,记录其最大占空比Dmax和最小占空比Dmin。
Dmax= Dmin=
2)直流斩波电路测试
(1)设备给电:
天煌设备:
接通交流电源,调节交流电压Uuv为30V,断电后,将U、V端连接到DJK20挂箱上的单相桥式整流及电容滤波的交流电压输入端。
求是设备:闭合实验台空气开关即可,不用按下绿色开关按钮。
按下列实验步骤依次对两种典型的直流斩波电路进行测试。
(1)切断电源,利用挂件DJK20或NMCL-22上的元器件分别按照图2和图3连接好相应的直流斩波实验线路,并接上挂件D42或NMCL-22上的电阻负载(两个900Ω并联构成的450Ω电阻)。将控制与驱动(SG3525芯片)电路的控制输出“VT-G”(“V-G”)和接地端(“V-E”)分别接至晶闸管VT的门极和阴极。
(2)检查接线正确,尤其是天煌实验台的电解电容的极性是否接反后,接通主电路和控制电路的电源。
(3)用示波器观测并记录D=0.5时UGE、UCE、UVD及Uo波形的幅值和相位,注意各波形间的相位关系。
(4)调节PWM脉宽调节电位器,观测在不同占空比D时,记录Ui、Uo和D的数值于表1和表2中,从而画出Uo= f(D)和Ui=f(D)的关系曲线。
表1 Ui、UO和D记录表(降压斩波电路)
表2 Ui、UO和D记录表(升压斩波电路)
5.实验报告要求:
(1)整理实验数据,用坐标纸绘制降压斩波电路和升压斩波电路的关系曲线Uo/Ui=f(D)。
(2)分析直流斩波电路中各元件的作用。
6.注意事项:用示波器观测高压时应衰减10倍;在做主电路UVD波形观测时,最好使用一个探头,以免发生电源短路。
实验四 直流斩波电路的性能研究
一、实验目的
(1)熟悉直流斩波电路的工作原理。
(2)熟悉各种直流斩波电路的组成及其工作特点,重点掌握降压斩波电路(Buck Chopper)和升压斩波电路(Boost Chopper)。
(3)了解PWM控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。
二、实验所需挂件及附件
三、实验线路及原理
(1)主电路
①、降压斩波电路(Buck Chopper)
降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图及工作波形如图4-12所示。图中V为全控型器件,选用IGBT。D为续流二极管。由图4-12b中V的栅极电压波形UGE可知,当V处于通态时,电源Ui向负载供电,UD=Ui。当V处于断态时,负载电流经二极管D续流,电压UD近似为零,至一个周期T结束,再驱动V导通,重复上一周期的过程。负载电压的平均值为:
(a)电路图 (b)波形图
图4-12 降压斩波电路的原理图及波形
②、升压斩波电路(Boost Chopper)
升压斩波电路(Boost Chopper)的原理图及工作波形如图4-13所示。电路也使用一个全控型器件V。由图4-13b中V的栅极电压波形UGE可知,当V处于通态时,电源Ui向电感L1充电,充电电流基本恒定为I1,同时电容C1上的电压向负载供电,因C1值很大,基本保持输出电压UO为恒值。设V处于通态的时间为ton,此阶段电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。当V处于断态时Ui和L1共同向电容C1充电,并向负载提供能量。设V处于断态的时间为toff,则在此期间电感L1释放的能量为(UO-Ui) I1ton。当电路工作于稳态时,一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等,即:
UiI1ton=(UO-Ui) I1toff
上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路。
(a)电路图 (b)波形图
图4-13 升压斩波电路的原理图及波形
③、升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)
升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)的原理图及工作波形如图4-14所示。电路的基本工作原理是:当可控开关V处于通态时,电源Ui经V向电感L1供电使其贮存能量,同时C1维持输出电压UO基本恒定并向负载供电。此后,V关断,电感L1中贮存的能量向负载释放。可见,负载电压为上负下正,与电源电压极性相反。输出电压为:
若改变导通比α,则输出电压可以比电源电压高,也可以比电源电压低。当0<α<1/2时为降压,当1/2<α<1时为升压。
(a)电路图 (b)波形图
图4-14 升降压斩波电路的原理图及波形
④、Cuk斩波电路
⑤、Sepic斩波电路
⑥、Zeta斩波电路
(2)控制与驱动电路
控制电路以SG3525为核心构成,SG3525为美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成电路,它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小,在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相差、占空比可调的矩形波(即PWM信号)。它适用于各开关电源、斩波器的控制。详细的工作原理与性能指标可参阅相关的资料。
四、实验内容
(1)控制与驱动电路的测试
(2)两种直流斩波器的测试
五、思考题
(1)直流斩波电路的工作原理是什么?有哪些结构形式和主要元器件?
(2)为什么在主电路工作时不能用示波器的双踪探头同时对两处波形进行观测?
六、实验方法
(1)控制与驱动电路的测试
①启动实验装置电源,开启控制电路电源开关。
②调节PWM脉宽调节电位器改变Ur,用双踪示波器分别观测SG3525的第11脚与第14脚的波形,观测输出PWM信号的变化情况,
(2)直流斩波器的测试(使用一个探头观测波形)
斩波电路的输入直流电压Ui由三相调压器输出的单相交流电经挂箱上的单相桥式整流及电容滤波后得到。接通交流电源,观测Ui波形,记录其平均值(注:本装置限定直流输出最大值为50V,输入交流电压的大小由调压器调节输出)。
按下列实验步骤依次对三种典型的直流斩波电路进行测试。
(1)切断电源,根据设备上的主电路图,利用面板上的元器件连接好相应的斩波实验线路,并接上电阻负载,负载电流最大值限制在200mA以内。(图中的R负载用三相可调电阻,将两个900Ω接成串联形式。)将控制与驱动电路的输出“V-G”、“V-E”分别接至V的G和E端。
(2)检查接线正确,尤其是电解电容的极性是否接反后,接通主电路和控制电路的电源。
(3)用示波器观测PWM信号的波形、UGE的电压波形、UCE的电压波形及输出电压Uo和二极管两端电压UD的波形,注意各波形间的相位关系。
(4)调节PWM脉宽调节电位器改变Ur,观测在不同占空比(α)时,记录Ui、UO和α的数值于下表中,从而画出UO=f(α)的关系曲线。
七、实验报告
(1)整理各组实验数据绘制各直流斩波电路的Ui/UO-α曲线,并作比较与分析。
(2)讨论、分析实验中出现的各种现象。
八、注意事项
(1)在主电路通电后,不能用示波器的两个探头同时观测主电路元器件之间的波形,否则会造成短路。
(2)用示波器两探头同时观测两处波形时,要注意共地问题,否则会造成短路,在观测高压时应衰减10倍,在做直流斩波器测试实验时,最好使用一个探头。
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