華中科技大學(xué)電力電子實驗報告

1、電氣學(xué)科大類 2010 級信號與控制綜合實驗課程電力電子 實驗報告姓名 童俊_學(xué) 號 U200912052 專業(yè)班號電氣1011指導(dǎo)教師 鄧春花老師 日 期 2013/6/25 實驗成績 評 閱 人 實驗四十八 DC/DC單端反激式變換電路設(shè)計實驗一 實驗原理1. 單端反激變換電路基本原理在基本的DC/DC變換器中引入隔離變壓器，可以實現(xiàn)變換器的輸入端和負載端的電氣隔離，從而提高運行的安全可靠性和電磁兼容性。同時，當電源電壓VS和負載所需的輸出電壓VO相差較大時，也不會導(dǎo)致占空比D接近1或者0。而且引入變壓器后，電路可以設(shè)置多個二次繞組輸出幾個不同的直流電壓。圖 48-1隔離式單端反激電路的原

2、理圖48-1是單端反激變換電路原理圖。電路僅有一個開關(guān)管，隔離變壓器的磁通只能單方向變化。當有正向偏壓加載在開關(guān)晶體管VT的基極上時，VT導(dǎo)通，當集電極-發(fā)射極間的電壓達到飽和電壓VCE(sat)時，輸入電壓加在變壓器的初級繞組上的電壓。同時，在變壓器的次級繞組中感應(yīng)出反極性的電壓，次級的二極管VD中沒有電流流過，次級繞組處于開路狀態(tài)。這時變壓器內(nèi)部并沒有能量傳遞，電源提供給初級繞組的能量全部存儲在變壓器中。開關(guān)管斷開時，電源停止向初級繞組提供能量，同時變壓器給負載供電，因此該電路稱為單端反激變換電路。2. 自激式單端反激變換器原理及其設(shè)計圖48-2是一種常見的自激式單端反激變換電路，簡稱為R

3、CC電路，廣泛應(yīng)用于50W以下的開關(guān)電源，它不需要專門的振蕩電路，結(jié)構(gòu)簡單，由輸入電壓與輸入、輸出電流改變頻率。圖 48-2 RCC基本電路（1） 自激原理RCC電路的電壓和電流波形如圖48-3所示。輸入電壓V1是輸入交流電壓經(jīng)整流的直流電壓。當V1加到輸入端時，V1通過電阻RB和晶體管VT1的基-射極給VT1的基極一個正的偏置電壓，使VT1導(dǎo)通，變壓器T1的初級繞組流過勵磁電流，而此時感應(yīng)到的次級的電壓V2由于二極管的阻擋而不能向負載提供電能，所以電源提供的能量完全積聚在變壓器中。VT1的導(dǎo)通使得基極繞組NP獲得正偏置電壓，供給VT1基極電流，給基極電容CB充電，同時使得VT1進一步導(dǎo)通，初

4、級電流持續(xù)增加，最終使VT1飽和導(dǎo)通，變壓器初級繞組電壓VT1近似為電源電壓Vi。由于電壓為直流，根據(jù)V1=LI/t，L為初級繞組電感，t=ton，可知初級繞組電流為I1=0tonIdt=0tonV1/Ldt=V1Lt即為斜率為V1/L的直線，如圖48-3（a）所示。由于ton期間能量全部積聚在變壓器中，所以初級繞組電流持續(xù)增加，并激勵磁通增加。增加到一定程度時，變壓器磁路達到飽和，磁通的變化率d/dt=0，因而感應(yīng)到基極的繞組NP的電壓為零，基極回路電容CB上的電壓（此時為極性為左負右正）通過NP繞組-VT1的基極-基極電阻-電容CB構(gòu)成的回路放電，放電電流與使VT1導(dǎo)通的基極電流相反，因此

5、CB放電是抽取了VT1的基極電流，使VT1的集電極電流減小，即變壓器的初級電流I1減小。I1減小又使得電流的變化率di1/dt0，磁通變化率相應(yīng)變負，因而感應(yīng)到基極繞組上的電壓由零變負，變成的電流與CB放電方向相同，加速了抽取VT1基極電流的過程，使得VT1急速關(guān)斷，VT1關(guān)斷后，變壓器初級繞組電壓反向，次級繞組電壓向電容C2充電，給負載提供能量。當變壓器中積聚的能量放完后，回路回復(fù)到初始狀態(tài)，即電源V1又通過RB給VT1的基極正偏置電壓，使其導(dǎo)通，自動進入下一個周期。如此循環(huán)往復(fù)，形成自激式振蕩，將電源能量傳遞給次級。VT1基極繞組及電阻電容構(gòu)成的回路，在VT1導(dǎo)通時起著加速其導(dǎo)通的作用，在

6、其截止時起加速關(guān)斷的作用，這是一種正反饋的作用，故稱為正反饋電路。正反饋和變壓器的飽和特性，是電路能產(chǎn)生自激振蕩的基礎(chǔ)。電路在VT1導(dǎo)通ton期間，變壓器T1從輸入側(cè)積蓄能量，在下一次截止期間，變壓器T1積蓄的能量釋放供給輸出負載。Toff結(jié)束時，變壓器電壓V1波形自由振蕩返回到0，如圖48-3（c）所示。電壓Vt1通過基極繞組NP加到開關(guān)管VT1的基極，因此，VT1觸發(fā)導(dǎo)通，進入開始下一個工作周期。圖 48-3電壓和電流波形圖 48-4（a）RCC的等效電路(ton時)圖 48-4（b）RCC的等效電路(toff時)Ton時的等效電路如圖48-4（a）所示。晶體管導(dǎo)通，因此變壓器T1的初級線

7、圈L1兩端加上輸入電壓V1。另一方面，在變壓器初級C2放電，供給輸出電流IO。此期間，輸出二極管VD1中無電流，因此，變壓器初次級不產(chǎn)生相互作用。L1中蓄積的能量為L1I12/2。Toff時等效電路如圖48-4（b）所示，因一次側(cè)無電流，所以圖中未畫出一次側(cè)。Ton時L1中蓄積的能量通過變壓器T1的二次側(cè)線圈L2釋放給次級側(cè)。從ton到toff的轉(zhuǎn)換瞬間，一次側(cè)線圈的安匝數(shù)相等原理仍然成立，因此，若變壓器一次側(cè)能量全部傳遞到二次側(cè)，則N1IP1=N2IP2，匝比N=N2/N1。電感L2與L1之比是與繞組匝數(shù)平方成正比例，即N2=(N2N1)2=L2L1 （48-1）傳遞給二次側(cè)能量變?yōu)檩敵龉β?/p>

8、。圖48-5示出了二次側(cè)電壓與電流的關(guān)系。設(shè)變壓器輸出功率為P2，則圖 48-5二次側(cè)電壓與電流之間的關(guān)系P2=VOIO (48-2)P2=0.5L2I2P2f (48-3)V2=VO+VF+V1 (48-4)式中，為變壓器的效率。若變壓器中存儲的能量不全部傳遞給二次側(cè)，則其中一部分能量變?yōu)樽儔浩鞯臒岷?。根?jù)式（48-1）（48-4），有I1p=2P2TV1ton (48-5)N=V2(T-ton)V1ton (48-6)L1=V12ton22V2IOT=V1tonI1p (48-7)圖 48-6多路輸出電路這些等式可以寫成I1p=2P2(NV2+1V1) (48-8)ton=I1pL1/V1

9、 (48-9)T=L1I1P22P2 (48-10)多路輸出時，如圖48-6所示，P2為P2=V2I01+V3I02 (48-11)占空比D=ton/T，它是RCC設(shè)計時決定電路特性的重要參數(shù)。開關(guān)晶體管VT1的集電極電流IC等于I1，因此，IC1D (48-12)由圖48-7所示波形可知，toff時VT1的集電極與發(fā)射極間鎖甲電壓VCE為VCE=V2N+V111-D (48-13)圖48-8示出了改變D時，IC與VCE相對值的變化關(guān)系。D較大時，IC較小，但VCE較高，因此，務(wù)必選用高耐壓開關(guān)晶體管。D較小時，VCE也較低，但是IC較大，另外，D與變壓器設(shè)計以及輸出二極管和輸出電容選用也有關(guān)

10、系。輸入電壓最低時D選為0.30.5進行參數(shù)設(shè)計時最適宜的。圖 48-8晶體管電流和電壓與D關(guān)系圖 48-7開關(guān)管的發(fā)射極與集電極集電極間電壓Vce（2） 利用負反饋控制是實現(xiàn)PWM控制當輸入電源電壓變化，或者負載變化時，若占空比按照上述原則選擇固定值，則輸出電壓會隨著輸入電壓幅值的增大而升高，或隨著負載的減輕而升高。因此，需要采用PWM控制方式自動調(diào)節(jié)占空比，以維持輸出電壓在各種擾動下恒定。單端反激電路在自激的基礎(chǔ)上，再增加一個負反饋電路即可實現(xiàn)PWM調(diào)壓控制。調(diào)壓原理為：檢測輸出電壓，當輸入電源電壓省公安，或者負載減輕，導(dǎo)致輸出電壓升高時，通過負反饋電路抽取VT1基極電流，使得正在導(dǎo)通的V

11、T1的基極電流減小，通過正反饋電路（基極繞組及電阻電容等）迫使VT1提前關(guān)斷，傳遞到變壓器次級的電壓V2的脈沖寬度變窄，整流濾波后的輸出電壓降低到所需要的幅值。負反饋電路連接著輸出電壓和輸入側(cè)的晶體管VT1，由于單端反激電路用于需要隔離的場合，因此負反饋電路需要采用隔離元件。可以采用變壓器隔離的方式，或者光耦器件隔離。本實驗采用光耦器件隔離。實驗班B07的電路時典型的RCC電路，具有高輸入電壓和多路相互隔離的低壓輸出，輸出有一組正負12V和兩路+20V，通常用作功率變換器的輔助電源（控制電源和驅(qū)動電源）。二 實驗?zāi)康耐ㄟ^本實驗進一步了解單端反激變換器這種應(yīng)用很廣泛的電路原理，掌握其設(shè)計方法，以

12、及各種單端反激電路的特點和應(yīng)用場合。三、實驗要求實驗電路輸入電壓范圍80120V，額定電壓為100V，最低電壓80V，具有多路與輸入端相隔離的低壓輸出，輸出有1組12V和1組5V，并且當輸入電壓或負載變化時，輸出電壓都能保持穩(wěn)定，因此要求該電路必須具有反饋電路來實現(xiàn)穩(wěn)壓功能，反饋回路的設(shè)計可以使用變壓器也可以使用光耦器件，此次實驗變壓器反饋回路直接運用實驗板上B07上的電路（將JP1跳接塊接上即可），光耦實現(xiàn)反饋回路見實驗設(shè)計。四、實驗內(nèi)容運用實驗電路板B07做如下實驗內(nèi)容：（1） 輸入電源電壓為最低輸入電壓時，電路的自激起振情況。（2） 輸入電源電壓為額定值、負載為額定負載時，各路輸出電壓的

13、穩(wěn)壓情況。（3） 輸入電源電壓在最低電壓和最高電壓之間變化時，各路輸出電壓的穩(wěn)壓情況。（4） 自行設(shè)計負反饋電路，完成上述實驗，歸納總結(jié)實驗結(jié)果和得出的主要結(jié)論。五、實驗設(shè)計（光耦反饋設(shè)計）光耦反饋電路的設(shè)計電路如下圖所示圖 48-9光耦反饋電路設(shè)計光耦反饋電路的工作原理：光耦合器件使用6N137，6N137的結(jié)構(gòu)原理如圖48-9所示，其工作原理為：信號從腳2和腳3輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏管光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換后送到與門的一個輸入端，與門的另一個輸入為使能端，當使能端為高時與門輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當輸入信號電流小于

14、觸發(fā)閾值或使能端為低時，輸出高電平，但這個邏輯高是集電極開路的，可針對接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路。圖中7腳與電源端連接的5.1k電阻即為上拉電阻，防止輸出端高阻無輸出。在此反饋電路中，當2、3兩端的電壓過高時，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏管光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換后送到與門的一個輸入端，與門的另一個輸入為使能端，當使能端為高時與門輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。該低電平加到BU208A基射極，致使正在導(dǎo)通的三極管基極電流減小，故集電極電流（變壓器主繞組勵磁電流）i隨之減小，di/dt減小，感應(yīng)到正激繞組的電壓較小，三極管基極電流進一步減小，這樣的一個正反饋過程，使三極管基極電