1、苏 州 市 职 业 大 学实习（实训）报告名称 DC/DC 变换器的设计与调试 2013 年 12 月 30 日至 2013 年 1 月 3 日共 1 周院 系 电子信息工程学院 班 级 12 电子 学 号 姓 名 院 长 张红兵 系 主 任 陈伟元 指 导 教 师 相 会 杰 目录第一章 绪论 .11.1 电力电子学基础 .11.2 电力电子在我国的应用 .1第二章 元器件介绍 .32.1 三极管简介 .32.2 三极管的工作原理 .32.3 TL494 简介 42.3.1 主要特性 42.3.2 工作原理简述 .52.3.3 TL494 脉冲控制 62.3.4 TL494 脉宽调制控制电路
2、应用 8第三章 DC/AC 变换器的原理说明 .93.1 DC/DC 变换简介 93.2 降压式斩波器原理介绍 93.3 DC/DC 变换元器件清单 93.4 DC/DC 变换原理图 103.5 DC/DC 变换的工作原理 10第四章 DC/DC 变换器的调试与结果 .124.1 电路调试 124.2 调试结果 12第五章 心得体会 .151第一章 绪论1.1 电力电子学基础电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航天等很多领域具有广泛的应用。电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。
3、因此提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。通过电力电子系统实训需要从以下几方面入手： 1.培养我们的文献检索的能力； 2.培养我们综合分析问题、发现问题和解决问题的能力； 3.培养我们运用知识的能力和工程设计的能力； 4.提高我们的电力电子装置分析和设计能力。 电力电子学（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的 W.Newell 用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。 “电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程
4、技术2个不同的角度来称呼的。其涉及的内容包括系统与控制、电力电子器件和电力电子电路三个部分。电力电子器件现已由以晶闸管为代表的第一代半控型器件发展到以功率晶体管（GTR） 、可关断晶闸管（GTO） 、功率场效应晶体管（P-MOSFET）为代表的第二代全控型器件，并向着以功率集成电路为代表的第三代智能化器件迈进。全控型电力电子器件可分为双极型（含功率晶体管，可关断晶闸管、静电感应式晶闸管） 、单极型（含功率场效应晶体管、静电感应式晶体管） 、复合型（含绝缘门双极晶体管、MOS 控制晶体管）和功率集成电路四种类型。功率集成电路是指功率器件和驱动电路、控制电路以及保护电路、诊断电路的集成。1.2 电
5、力电子在我国的应用虽然我国电力电子的开发研究已5O 年历史，过去我们已经取得了长足的进步，但是与超大规模集成电路的发展一样，该领域科技发展速度太快加之我国财力和原有基2础薄弱的限制，特别是面临国外高科技的冲击等原因。我国电力电子有被“ 边缘化” 的趋势，即各行各业都迫切需要。但是各应用领域均没将其作为研究重点，国内解决不了就依靠进口。应当承认，目前我们与国外先进水平的差距还是很大的。当前存在的主要问题是：目前我国生产的大多数电力电子产品和装置还主要基于晶闸管虽然也能制造一些高技术的电力电子产品和装置但是它们均是采用国外生产的电力电子器件和组件以组装集成的方式制造的特别是先进的全控型电力电子器件
6、则全部依赖进口，而许多关系到国民经济命脉和国家安全的若干关键领域中的核心技术和软硬件，国外均是对我国进行控制和封锁的。我们正面临着国际竞争的严峻形势。特别是关系到国民经济命脉和国家安全的若干关键领域中的核心技术与国外先进水平的差距更大，迅速改变这一现状是我们面临挑战和义不容辞的任务。过去我国国民经济各部门虽然引进了不少国外先进技术也强调了国产化的问题。尽管它们中的绝大多数几年后都可以达到国产化率7O的要求。可是只要我们仔细分析一下。就不难发现。最终国外公司拒绝转让的技术和重要部件，均是涉及到高技术的电力电子及电力传动产品中的核心技术。各应用领域所涉及到的关键电力电子技术可概括为：大功率变流技术
7、：电力电子及其系统控制技术；大功率逆变器并网技术：大功率全控电力电子器件和电力电子全数字控制技术等。与国外的主要差距和存在的问题是：全控电力电子器件国内不能制造；大功率变流器制造技术水平较低 装置可靠性差： 电力电子全数字控制技术水平还处于初级阶段： 应用系统控制技术和系统控制软件水平较低；缺乏重大工程经验积累等。 高性能大功率变流装置目前几乎全部依靠进口。3第二章 元器件介绍2.1 三极管简介三极管又称“晶体三极管”或“晶体管” 。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的 PN 结，组成一个 PNP（或 NPN）结构。中间的 N 区（或 P 区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分
8、各有一条电极引线，分别叫基极 B、发射极 E 和集电极 C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。2.2 三极管的工作原理三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有 NPN 和PNP 两种结构形式，但使用最多的是硅 NPN 和锗 PNP 两种三极管， （其中，N 表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而 p 是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电） 。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍 NPN 硅管的电流放大原理。对于 NPN 管，它是由2块 N 型半导体中间夹着一块 P 型半导体所组成，发射区与基区之间形成
9、的 PN 结称为发射结，而集电区与基区形成的 PN 结称为集电结，三条引线分别称为发射极 e、基极 b 和集电极 c。 当 b 点电位高于 e 点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而 C 点电位高于 b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源 Ec 要高于基极电源 Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。由
10、于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流 Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源 Eb 重新补给，从而形成了基极电流 Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一个很小的 Ib，就可以在集电极上得到一个较大的 Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic 与 Ib 是维持一定的比例关系，即：1=Ic/Ib 式中：1-称为直流放大倍数，集电极电流的变化量Ic 与基极电流的变化量Ib 之比为：= Ic/Ib。式中 -称为交流电流放大倍数，由于低频时 14和 的数值相差不大，所以有时为了方便
11、起见，对两者不作严格区分， 值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。2.3 TL494 简介TL494 是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。 2.3.1 主要特性1、集成了全部的脉宽调制电路。2、片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容） 。3、内置误差放大器。4、内置5V 参考基准电压源。5、可调整死区时间。6、内置功率晶体管可提供500mA 的驱动能力。7、推或拉两种输出方式。图1 TL494外形图 图2 TL49
12、4引脚图52.3.2 工作原理简述TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：输出脉冲的宽度是通过电容 CT 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管 Q1和 Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。参见下图：图3 信号波形图它由振荡器、D 触发器、死区时 间比较器、PWM 比较器、两个误差放大器、5V 基准电压源和两个驱动三极 管等组成。 TL494 正常工作时， 当 输出脉冲
13、的频率取决于 5 脚和 6 脚所接 的电容和电阻，表达式为 f 1.1 R T CT ，在电容 CT 两端形成的是锯齿波， 该锯齿波同时加给死区时间控制比较器和 PWM 比较器， 死区时间控制比较 器根据 4 脚所设置的电压大小输出脉冲的死区宽度， 利用该脚可以设计6电 源的软启动电路、欠压或过压电路等。输出调制脉冲宽度是由电容 CT 端 的正向锯齿波和 3、4 脚输入的两个控制信号综合比较后确定的。当外接 控制信号电压大于 5 脚电压时，9、10 脚输出脉冲为低电平（设 9、10 脚 为跟随器输出接法） ，所以随着输入控制信号幅值的增加，图4 内部结构图2.3.3 TL494 脉冲控制控制信
14、号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV 的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在03.3V 之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V 变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V 到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到
15、。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。当比较器 CT 放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触7发器进行计时，同时停止输出管 Q1和 Q2的工作。若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管 Q1或 Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将 Q1和 Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以
16、关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。TL494内置一个5.0V 的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA 的负载电流，在典型的070温度范围50mV 温漂条件下，该基准电压源能提供5%的精确度。2.3.4 TL494 脉宽调制控制电路应用8单端连接输出和推、拉（电流）结构 9第三章 DC/AC 变换器的原理说明3.1 DC/DC 变换简介DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。 直流-直流变换器（DC-DC converter）内部一般具有 PWM（脉宽调制）模块，E/A（差错放大器模块） ，比较器模块等几大功能模块。 3.
17、2 降压式斩波器原理介绍斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式 Ts 不变，改变 ton(通用)，二是频率调制。（1）Buck 电路 降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压 Ui，极性相同。（2）Boost 电路 升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压 Ui，极性相同。（3）BuckBoost 电路 降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0大于或小于输入电压 Ui，极性相反，电感传输。（4）Cuk 电路 降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0大于或小于输入电压 Ui，极性相反，电容传输。还有 Sepic、Zeta 电路。上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥
18、电路、10推挽电路。3.3 DC/DC 变换元器件清单电力电子课程设计元件一套器件器件 数量 备注Tip32A 1 tip32c也行，封装同7805TL494 1 dip-16封装双列直插式MR850 1 频率响应达40Hz, 额定电流2A的二极管即可电解电容50uF,50V 1电解电容500uF,10V1电解电容50uF,10V 1电感1.0mH,2A 1 频率响应40Hz, 实在没有用普通电感47 1 功率0.5150 2 功率15.1K 3150 147K 20.1 11.0M 1普通电容0.001uF 1普通电容0.1uF 116脚底座 1小散热片 1 最小的即可，配相应的螺丝母固定细
19、导线60cm。通用实验板9cm*6cm113.4 DC/DC 变换原理图图5 原理图3.5 DC/DC 变换的工作原理其工作原理为：输出经过 FB（反馈电路）接到 FB pin，反馈电压 VFB 与设定好的比较电压 Vcomp 比较后，产生差错电压信号，差错电压信号输入到 PWM 模块，PWM 根据差错电压的大小调节占空比，从而达到控制输出电压的目的，振荡器的作用是产生PWM 工作频率的三角波，三角波经过斩波电压斩波后，产生方波，其方波就是控制MOSFET 的导通时间从而控制输出电压的。 12图6 DC/DC 变换器工作波形第四章 DC/DC 变换器的调试与结果4.1 电路调试在焊接完成后，要
20、检查好电路，看电路里的有极性元件是否焊反，走线的时候有13没有短路，在确认电路没有错误后准备上电测试。首先打开直流稳压电源，将电压调到 10V，然后接上电路板，用万用表测量输出端电压，如果电压稳定在 5V 左右，则说明电路正常，可以继续测量。如果不是 5V 则应当断开电源。再次检查电路板，并排除故障。打开示波器，将探头分别接到芯片的 1脚、2 脚、3 脚、5 脚、6 脚（如图 7(abcde)） ，测量出个管脚的波形并记录。将直流稳压电源电压分别调为 15V、20V、25V、30V、35V、40V 重复上述步骤。4.2 调试结果a)1脚波形图14b)2脚波形图c)3脚波形图15d)5脚波形图e
21、)6脚波形图图7 实验波形图+Vin 10 15 25 35 40Vo 5.02 5.01 5.01 5.02 5.0316第五章 心得体会做电子实验和以前所做的物理化学实验不同，直到 我才发现它并不容易。实验所涉及的知识与难度成正比，使我受益匪浅。在做实验之前要把课本上的内容吃透，还要练习焊接。光是焊接就是一门技术活，要细心耐心，焊点很小，因此要控制好焊锡量。焊工是练出来的，只有经常练习焊点才会美观，不是一次就能有好的焊点的。在实训中不仅加强了我们的动手能力和加深了对课本知识的实际应用。弄懂实验原理，而且体会到了实验的操作能力是靠自己的，亲自开动脑筋，亲自去请教别人才能得到提高。我们做实验绝
22、对不要人云亦云。在实验过程中，我们应该尽量减少操作的盲目性提高实验效率，学会培养独立分析问题的好习惯。对电子工艺的理论有了初步的了解。我们了解到了，各种元件的性能、焊接的技巧等等。 。电 子 电 路 的 知 识 有 了 更 深 的 认 识 和 了 解 ， 学 习 到 了 基 本 理 论 在 实 践 中 综 合 运 用 的 初步 经 验 ， 掌 握 了 模 拟 电 路 设 计 的 基 本 方 法 、 设 计 步 骤 ， 培 养 综 合 设 计 与 调 试 能 力 。 学会 了 电 路 原 理 的 设 计 方 法 和 线 路 板 的 调 试 方 法 ， 更 重 要 的 是 培 养 了 我 们 的 实 践 技 能 ，电 板 的 焊 接 能 力 也 掌 握 的 更 加 娴 熟 了 ， 更 加 提 高 了 本 身 的 分 析 和 解 决 实 际 问 题 的 能 力 。
