09 级
《信号与控制综合实验》课程
实 验 报 告
(基本实验四: 电力电子基本实验)
姓 名 杨欣 学 号 U200911880 专业班号0905
同组者 曹杰文 学 号 U200911896 专业班号0905
指导教师 李军
日 期 2012年5月17日
实验成绩
评 阅 人
实验评分表
基本实验
实验编号名称/内容
实验分值
评分
PWM信号的生成和PWM控制的实现
DC/DC PWM升压降压变换电路性能的研究
三相桥式相控整流电路性能的研究
DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能的研究
设计性实验
实验名称/内容
实验分值
评分
教师评价意见
总分
目 录
实验一 PWM信号的生成和PWM控制的实现 3
实验二 DC/DC PWM升压降压变换电路性能的研究 12
实验三 三相桥式相控整流电路性能的研究 19
实验四 DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能的研究 29
心得与体会 37
参考文献 38
实验二十八 PWM信号的生成和PWM控制的实现
一、实验任务
1.熟悉PWM集成电路芯片TL494的基本功能和使用；
2.基于PWM芯片的控制电路设计。
3.调试验证电路的正确性
二、实验目的
分析并验证基于集成PWM控制芯片TL494的PWM控制电路的基本功能，从而掌握PWM控制芯片的工作原理和外围电路设计方法。
三、实验原理
图28.1 PWM集成电路芯片TL494原理框图
1.软启动功能
图28-1给出了TL494控制芯片内部电路的原理框图，图28-2为基于该芯片所搭建的PWM控制电路。设锯齿波幅值为VCTm，则当电路处于单路输出状态时，电路启动过程如下：
根据图28-1，电路启动前，
，死区电压比较器输出高电平，G1、G2输出低电平，S1、S2截止。电路启动后，利用图2中所示的继电器将R21电阻断开，＋5V 电源对电容C21进行充电使V4逐渐降低，当
时，与锯齿波存在交点，在交点上方有
，此时比较器输出低电平，G1，G2输出高电平，S1、S2导通，电路有脉冲输出。随着V4降低，
的时间渐长，占空比变大，直至V4稳定为止，此后占空比保持不变。图28-3给出了软启动过程中的脉宽变化趋势，从中还可以看出，输出脉冲并非与V4的下降同时发生，而是需要经过一段时间，至
后才出现。
图28.2 基于TL494芯片实现的PWM控制电路
图28.3 电路的软启动过程
当V4稳定后，由其几何关系可以看出：
公式（28-1）
其中，V为V4的稳定值。
2.稳压控制方式
由图28-1可知，电路启动达到稳定状态后，除V4外，占空比D还与PWM同相端电压V3有关：图中2号端口输入电位Vg为定值，若接入1端口的反馈电压VfVg，则V3=K(Vf-Vg)，随Vf的增大而增大。图28-4给出了占空比D与V3、V4的关系，根据公式（28-1），可得：
图28.4 稳压控制下占空比D的计算
从公式（28-3）可知，V3越大，占空比D越小，从而使主电路中的输出电压减小，导致反馈电压Vf减小，V3下降，D增大，如此往复，最终Vf、V3与D均稳定在某个值上，其中Vf=Vg，V3=VA，
。根据图28-2可知，若VA≡2.5V,则D≡0.42。
3.限流控制与脉冲锁闭
限流控制与脉冲锁闭既有联系，又有区别。从控制对象与目的上看，两者检测的均是反馈电流，当其超过设定阈值时，通过使图28-1中逻辑参数C=1，使G1、G2输出低电平，S1、S2截止，从而关断较大的反馈电流。从控制手段上看，限流控制是通过芯片内部的15，16端口，将反馈电流If与阈值电流IM进行比较，使
，进而使图28-1中PWM比较器的输出低电平，C=1，实现停止输出；而脉冲锁闭则是通过在芯片外部布设如下图28-5所示的电流检测模块，比较I’f与I’M使得
，图28-1中死区电压比较器输出低电平，C=1，实现锁闭输出。另外，脉冲锁闭功能在过流情况下，能通过二极管HL1或HL2的发光对操作者进行提示，而限流控制除了使输出脉冲为零外，并无其他提示信号。
图28.5 电流检测模块的部分电路
四、实验内容
（1）考察开关频率为20kHz，单路输出时，集成电路的软启动功能。
（2）考察开关频率为20kHz，单路输出时，集成电路的反馈电压Vf对输出脉宽的影响。
（3）考察开关频率为20kHz，单路输出时，集成电路的反馈电流If对输出脉宽的影响。
（4）考察开关频率为20kHz，单路输出时，集成电路的保护封锁功能
（5）考察开关频率为20kHz，单路输出时，集成电路死区电压对输出脉宽的影响。
5、实验设备
1．PWM控制芯片TL494等，以及有关的外围电路元件；控制电源
2．面包板或通用版；或具有PWM芯片及外围电路的实验板
3．示波器
六、实验步骤
1 .锯齿波的产生
根据实验电路，通过调整TL494芯片5.6脚所联的电容和电阻的大小来调整锯齿波的振荡频率。在TP4引脚上使用示波器观察输出的锯齿波。
（1）.JP4短接23振荡频率为10KHz
图28.6
（2）.JP4短接12振荡频率为20KHz
图28.7
2 .验证软启动
(1).死区时间
10KHz幅值＜0.32V的时间为23us,从图中看到的时间也是23us
(2).V4电压JP2接1.2 TP3
图28.9
(3).V1反馈电压增加，脉冲宽度减少
图28.10
图28.11
(4)JP2接3.4时
图28.12
（5）.JP2接5.6
图28.13
7、实验思考题
1 如何验证你设计的PWM控制电路具有稳压控制功能？
答：可以使用直流稳压电源在电压反馈端输入一直流电压，调节化变阻器RP1的大小，使得输入芯片LS4941号管脚的反馈电压V+接近于V-,观测V+变化时输出的反馈电压VF的大小。
V-端电压固定于2.5V，由于反馈放大器放大倍数高达39倍，所以当v+的电压在2.4V至2.5V变化时输出的反馈电压即发生改变，同时由于VF电平的变化，会使得输出脉冲电压的占空比发生改变。
2.如何验证你设计的PMW控制电路所具有的保护功能？
答：保护功能包括输入过电流保护以及电源输入过电流与输出过电流的封锁功能。
可以在电流反馈I1端加入一直流电压模拟输出电流。一方面当直流电压增大时会使得芯片启动过电流保护功能使得输出的脉冲电压占空比减小。当直流电压继续增大时，会外围电路启动过电流封锁功能，输出的电压占空比为0，同时红灯亮，警示工作人员注意。
可以在电流反馈I2端加入一直流电压模拟电源侧的输入电流，当直流电压增大至一定值时，外围电路启动过电流封锁功能，输出的脉冲电压占空比为0。
3.以你自己的调查或观察，举例说明软启动的作用。
答：通过才观察启动过程中脉冲电压的占空比可以发现软启动过程可以使得占空比从小变大，对应的变换主电路的输出直流电压值也是从小到大逐渐增长至稳态值。如此设计可以减小启动过程中出现的较大的冲击电流，例如电流中存在大容
量的充电电流；电路中存在变压器类元件时突然开放很宽的脉冲，会出现磁路饱
和而出现很大的冲击电流；电路作为电机一类负载的供电电源时突然开放脉冲导致的脉动转矩，都将导致出现过大电流而损坏电路元件。
4.说明限流运行时PWM控制方式的变化。
答：进行限流运行时，PWM的占空比不再只是由三角波河正弦波进行比较产生。当输出电流值过大时，也进行电流反馈，使得电流比较器输出直流电压控制死区时间的长短。所以限流运行时，输出脉冲电压的占空比反馈电流大小的限制。
实验二十九 DC/DC—PWM 升压、降压变换电路性能研究
1、实验目的
1.验证研究DC/DC PWM降压变换电路的工作原理和特性。
2.在实验二十八的基础上，进一步掌握PWM集成电路芯片的应用和设计原则。
3.了解电压电流传感器的选用原则。
4.建立驱动电路的概念和要求。
5.掌握反馈环节与滤波电路的概念和设计原则。
2、实验原理
DC/DC变换器主电路原理
DC/DC变换器主电路原理图如图所示，图中DC/DC变换器主电路中接入了两个霍尔电流传感器，分别检测主电路输入电流和输出电流。
DC/DC BUCk变换器主电路原理图
三、实验具体设计
1.选择主电路元件的参数，搭建主电路
BUCK电路要求输入电压为100V±20%；输出电压为50V。可以使用实验面板上的BUCK电路进行连线搭建。
2.选择滤波器的参数
选择滤波器的参数主要从两个方面来考虑：
（1）为保证在运行范围内不出现断流的情况。
临界负载电流为：
（29-1）
负载电流最小值为0.2A, 取占空比Dmin=0.4 ，开关频率Fs=10KHz,
对应得出的最小电感值应为3.65mH，为保留一定的安全范围，取电感参数位：10mH。
（2）脉动电压小于等于1%
根据脉动电压公式：
（29-2）
其中：fs为开关频率，
（29-3）
取占空比Dmin=0.4，fs=10KHz,可以得Cmin= 7.5uF
根据以上原则，并且保留一定的阈值，电容参数为：100uF。
3.传感器的选择
本次试验使用霍尔电压传感器和电流传感器。一方面测量电流以及电压的大小，另一方面将电压信号和电流信号反馈至控制电路板中实现保护和反馈控制的功能。
（1）霍尔电流传感器的设计
本试验板上的霍尔电流传感器的传输比为：50A/50 mA,可见在一次侧输入1A的电流，二次侧产生的电压为1mA。为了提高试验测量的精度选择5匝端子使得灵敏度提高5倍即一次侧输入1A的电流，二次侧产生的电压为5mA。
传感器二次侧电阻的选择：
电流传感器可以将输出电流信号转化为电压信号反馈至控制电路板的I1引脚。当输入I1电压大于一定值时可以使得电路启动过电流封锁。输出电流的额定电流为2A，可以考虑一定的阈度，当电流大于3A时启动过电流封锁功能。此时对应的霍尔传感器的二次侧电流为15mA。所以在二次侧可以接入300欧姆的电阻使得当输出电流为3A时对应二次侧的输出电压为4.5V，使得控制电路启动电流封锁功能。
电流传感器也可以将输入电流信号转化为电压信号反馈至控制电路板的I2引脚，在二次侧可以接入2000欧姆的电阻，从而通过测量电压值来观察输入电流的变化。
（2）霍尔电压传感器的设计
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