城市轨道交通PIS系统的架构研究文献综述-12

实验五直流斩波电路的性能研究（六种典型线路）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。(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DJK01电源控制屏、DJK09单相调压与可调负载、DJK20直流斩波电路、D42三相可调电阻、双踪示波器（慢扫描）、万用表。三、实验线路及其原理1、主电路(1)降压斩波电路(BuckChopper)降压斩波电路(BuckChopper)的原理图及工作波形如图1所示。图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。图1(a)中的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，负载电流经过二极管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：iionioffononoaUUTtUtttU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，a为导通占空比，简称占空比或导通比（a=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a，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。图1降压斩波电路的原理图及波形(2)升压斩波电路(BoostChopper)升压斩波电路的(BoostChopper)原理图及工作波形如图2所示。电路也使用一个全控型的器件V。由图2(b)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为恒定值。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on1io)(tIUU。当电路工作于稳态是，一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等，即：off1ioon1i)(tIUUtIUioffioffoffonoUtTUtttU上式中的offtT，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。图2升压斩波电路的原理图及波形(3)升降压斩波电路(Boost-BuckChopper)升降压斩波电路的原理图及工作波形如图3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：iioffonioffono1UaaUtTtUttU若改变导通比a，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0a1/2时为降压，当1/2a1时为升压。图3升降压斩波电路的原理图及波形(4)Cuk斩波电路Cuk斩波电路的原理图如图4所示。电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，Ui-L1-V回路和负载R-L2-C2-V回路分别流过电流。当V处于断态时，Ui-L1-C2-D回路和负载回路R-L2-D分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反。输出电压为：iioffonioffono1UaaUtTtUttU若改变导通比a，则输出比电源电压高，也可以比电源电压低。当0a1/2时为降压，当1/2a1时为升压。图4Cuk斩波电路原理图(5)Sepic斩波电路Sepic斩波电路的原理图如图5所示。电路的基本工作原理是：可控开关V处于通态时，Ui-L1-V回路和C2-V-L2回路同时导电，L1和L2贮能。当V处于断态时，Ui-L1-C2-D-R回路及L2-D-R回路同时导电，此阶段Ui和L1既向R供电，同时也向C2充电，贮存的能量在V处于通态时向L2转移。输出电压为：iioffonioffono1UaaUtTtUttU若改变导通比a，则输出比电源电压高，也可以比电源电压低。当0a1/2时为降压，当1/2a1时为升压。图5Sepic斩波电路原理图(6)Zeta斩波电路Zeta斩波电路的原理图如图6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经开关V向电感L1贮能。当V处于断态后，L1经D与C2构成振荡回路，其贮存的能量转至C2，至振荡回路电流过零，L1上的能量全部转移至C2上之后，D关断，C2经L2向负载R供电。输出电压为：io1UU图6Zeta斩波电路原理图2、驱动与控制电路控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国SiliconGeneral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。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)六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示波器同时对两处波形进行观测？六、实验方法1、控制与驱动电路测试(1)启动实验装置电源，开启DJK20控制电源开关。(2)调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，用双踪示波器分别观测的第11脚与第14脚的波形，观测输出PWM信号的变化情况，并填入下表。Ur(V)1.41.61.82.02.22.42.511(A)占空比(%)14(B)占空比(%)PWM占空比(%)(3)用示波器分别观测A、B和PWM信号的波形，记录其波形、频率和幅值，并填入下表。观测点A(11脚)B(14脚)PWM波形类型幅值A(V)频率f(Hz)(4)用双踪示波器的两个探头同时观测11脚和14脚的输出波形，调节PWM脉宽调节电位器，观测两路输出的PWM信号，测出两路信号的相位差。2、直流斩波器的测试（适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DJK20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，并记录其平均值（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六种典型的直流斩波电路进行测试。(1)切断电源，根据DJK20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。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，观测在不同占空比（a）时，记录Ui、Uo和a的数值于下表中，从而画出的关系曲线。Ur(V)1.41.61.82.02.22.42.5占空比(%)Ui(V)Uo(V)七、实验报告(1)整理各组实验数据绘制直流斩波电路的Ui/Uo-a曲线，比作比较与分析。(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。