华中科技大学电气12级电力电子实验报告

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电气学科大类

级

《信号与控制综合实验》课程

实 验 报 告

(电力电子综合实验)

姓 名 学 号 专业班号 同组人 学 号专业班号 同组人 学 号 专业班号

指导教师 日 期 2015.6.20

实验成绩 评 阅 人

实验评分表

目 录

实验二十八 PWM信号的生成和PWM 控制的现·························4

实验二十九 DC/DC—PWM 升压、降压变换电路性能研究··················14

实验三十 三相桥式相控整流电路性能研究···························18

实验三十一DC/AC单相桥式SPWM 逆变电路性能研究··················28

实验三十五 DC/DC PWM升降压变换电路（cuk 变换器）设计···············37

实验总结 ···················································41

心得与自我评价···············································43

参考文献····················································44

实验二十八 PWM信号的生成和PWM 控制的实现

一．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。

二．实验原理

PWM 控制的基本原理：将宽度变化而频率不变的的脉冲作为电力电子变换器电路中的开关管驱动信号，控制开关管的适时、适式的通断；而脉冲宽度的变化与变换器的输出反馈有着密切的联系，当输出变化时，通过输出反馈调节开关管脉冲驱动信号，调节驱动脉冲的宽度，进而改变开关管在每个周期中的导通时间，以此来抵消输出电压的变化，从而满足电能变换的需要。

本实验中采用实验室中已有的PWM 控制芯片TL494来完成实验，当然在进行具体的PWM 控制之前，我们必须要详细的了解和认识该控制芯片的工作原理和方式，如何输出？输出地双路信号存在怎样的关系？参考信号是如何形成的？反馈信号是如何加载到控制芯片上，同时又是如何以此反馈信号来完成输出反馈的？另外我们也必须了解和认识到对不同开关管进行驱动时，为保证开关管的完全可关断，保证电路的正常可靠工作，死区时间的控制方式。最后我们也要了解为防止电力电子变换器在突然启动时，若开放较宽脉冲而带来的较大冲击电流的影响（和会给整个电路带来许多不利影响），控制芯片要采用“软启动”的方式，这也是本实验中认识的一个重点。

三．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。

四．实验步骤

本实验采用单路输出，将端口13接地。

1． PWM 脉宽调节：软启动后，在V1端口施加电压作为反馈信号Vf ，给定信号Vg=2.5v，改变V1端口电压大小，即可改变V3, 从而改变输出信号的脉宽。V3越大，K 越大，C=J+K越大，脉宽越小；反之脉宽越大。记录不同V1下的输出波形并与预计实验结果比较。

2． 软启动波形：为防止变换器启动时较大的冲击电流，控制芯片TL494和其他控制芯片相似也采用了软启动。在启动时，为防止变换器冲击电流的出现，驱动脉宽应从零开始增大，逐渐变宽到工作所需宽度。本实验中此功能由脉冲封锁端口电位的逐渐开放来实现，电位又打逐渐变小，便可实现软启动。为对控制芯片的该控制过程有更明确和清晰的认识，我们可以观察芯片启动过程中“启动和保护端口4”（TP3）的电压波形变化并与实验前预测进行比较。

3． 观察TL494控制芯片的脉冲封锁功能：本实验中脉冲封锁很容易实现，可以通过增大V4电位实现，进行简单的观察，可以通过改变JP2接法增大V4电位，使得V4+0.12>Vct，则输出立即封锁。

4． 死区时间测量：使反馈电压为零，即V3=0，则K=0，调节V4电位，观察并记录PWM 输出波形，并测量死区时间。

5． 观察PWM 控制芯片TL494的过流保护功能：通过在I1和I2端口施加可变电压，观察封锁时间（相关封锁指示灯亮，输出变为零），并记录封锁时的施加电压，认识芯片TL494的限流保护功能。

五、实验结果及相关波形：

1、锯齿波的观测

图1-1 控制芯片TL494的参考锯齿波（f=20KHZ）

2. 接通JP2 ，观察TP3的启动波形

图1-2 TP3的启动波形

3.3和4的波形相同，改变反馈电压的同时，所输出的PWM 脉冲宽度改变，如下：

图1-3 Vf=2.431V

图1-4 Vf=2.448V

图1-5 Vf=2.456V

图1-6 Vf=2.471V

结论：不同反馈电压时的信号脉宽不同

4、死区时间的测量

图1-7,8 死区时间测量

如上图，死区时间为51μs

5、观察过流保护

当未过流试I1端输入而I2端断开时：

图1-9 I1输入，I2断开

I1端断开I2端输入时：

图1-10 I1断开，I2输入

当过流时，I1端输入I2端断开：

图1-11 过流时，I1输入，I2断开

I1端断开I2端输入

图1-12 过流时，I1断开，I2输入

六、实验思考题

1. 如何验证本实验中PWM 控制电路（TL494）具有稳压控制功能？

答：本实验中采用的控制芯片TL494中的稳压功能是通过反馈环节来实现的，在实验原理部分已经进行了较为详细的说明；

当然若要进行简单的验证，我们可以采用简单的Buck 电路，限定输出Vo=50v，此时通过霍尔电压传感器采集输出电压信号，同时采用合适的采样电阻（给定输出电压不同，则采样电阻不同），并调节可调电阻RP1，使变换器输出Vo=50v时，电压误差信号端输入为零（即此时有效反馈为零，不影响输出）。当控制电路调节完成时，改变输入电压或负载大小，观察输出电压变化（理论上由于反馈调节的存在，输出电压不变或者变化很小），即可验证PWM 控制电路（TL494）具有稳压控制功能。

2. 如何验证本实验中PWM 控制电路（TL494）具有的保护功能?

答：PWM 控制电路的保护功能由脉冲封锁端实现，这一点在软启动过程中我们已经看到：改变脉冲封锁端口的电位，即可改变输出脉冲信号的脉宽；若脉冲封锁端电位由于外界因素的影响而被迫升高，使得V4+0.12>Vct，则输出立即封锁。 利用这一点，我们仍采用简单的Buck 电路进行验证，用电流传感器采样主电路电流，选择合适的采样电阻（根据主电路极限电流的大小不同而不同），转换成电压信号，并反馈到脉冲封锁端，一旦主电路电流超过允许极限电流，脉冲封锁端电位便快速上升，使输出立即封锁，保护主电路不致过流。

3. 举例说明软启动的作用。

答：软启动的作用在实验原理部分、及实验部分都进行了较为详细的说明和观察。作为应用，以V-M 直流电机调速系统为例（整流器作为供电电源），若电力电子变换器启动时，突然开放脉宽，此时作为负载的直流电机会因此而导致脉动转矩，这将导致电路出现过大电流而损坏电路元件；相反软启动，则可以使变换器的驱动脉宽从零平滑增长，使输出电压平滑变化，不会产生大的脉动转矩和脉动电流，实现平滑启动，同时是电路安全可靠稳定的运行。

4. 说明限流运行时的PWM 控制方式的变化。

答：在电力电子PWM 变换电路中，由于稳压调节的关系，输出脉冲可能长时间处在很宽的状态下，此时虽然电路电流为达到保护保护动作电流，但此时变换器的输出功率可能已超过允许负荷，长时间超负荷运行会严重影响开关管寿命并导致电路故障，因此此时需对电流进行限制，使PWM 由稳压控制方式转换为限制电流的非稳压方式。此时从端口15（以TL494为例）输入主电路变换器的允许极限电流I M ，16端口接霍尔电流传感器的实际电流检测值I F ，正常工作时I F I M ，则电流比较器输出端Y 输出高电位，使V3为高电位，

V 3>V ct +0.7v ，则C=1，输出立即封锁。

实验二十九： DC/DC PWM升压、降压变换电路性能

研究

一、实验目标

1．验证并研究DC/DC PWM降压变换电路的工作原理和特性。

2. 在实验28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及如何确定采样电阻。

实验要求指标：

降压试验输入电压：100v+20%；输出50v 输出功率：100w

二．实验原理

利用实验二十八中的PWM 控制芯片产生驱动信号，驱动Buck （直流降压）电路开关管，实现DC/DC 降压变换。为较为详细的了解和认识Buck 电路的性能，我们首先进行的是，Buck 的开环特性，不加反馈环节，研究输出与占空比、输入电压和负载的关系；在此基础上，添加反馈环节，实现电压反馈控制，固定占空比使最大（尽量拓宽电压和负载的变化范围），研究输入电压、负载变化时，输出的变化情况。

三．实验内容及方案设计

1. 研究降压变换器的开环特性 2. 研究降压变换器的闭环特性 3. 反馈环节及滤波器的设计

四．实验结果及数据记录

1.Buck 电路的开环特性：

设定占空比为D=50%（1/2），改变输入电压Vs ，测量输出电压和输出电流大小：

2. 输入Vs=100V,改变负载电阻大小，测量输出电压和输出电流大小（开环）

3. 输入Vs=100V,改变占空比，负载电阻250Ω，测量输出电压和电流大小

结论：从开环实验数据中，我们可以知道，输出电压和输出电流跟随输入电压、占空比和负载而发生变化，当输入电压、占空比、负载电阻变大时，输出电压变大。

由Buck 电路的开环特性可以得出结论：开环特性不具备稳压功能。

五、实验思考题

1.Buck 电路中电感电流连续与否会有什么影响？哪些参数会影响电流连续？实验中如何保证电流连续？

答：1）电流是否连续当然会对实验带来影响，电流连续时输出与输入电压之间存在简单的线性关系V 0=DV s ，这使对输出特性的研究易于把握，同时也更便于

V 0=

D

V s

D +D 1（D1对应从开关管截止到续

对该电路的应用。一旦电流不连续，

流二极管断流所对应的时间比值），由于断流时间无法准确把握，同时这也使得输入输出关系无法准确把握，给研究和应用带来了问题和麻烦，因此正常情况下，我们都应使电路工作于电流连续区。2）影响电流连续的因素很多，主要有输出电压、负载、开关频率、占空比和平波电感。3）实验中我们采用较大的平波电感和适当的负载，保证最小负载电流大于电路的临界连续电流。

2.Boost 电路中，为什么D 不能等于1？实验中如何保证D 不等于1？

V 0=

V s

1-D ，输出电压与占空比成正比，

答：这是因为在升压变换中，输出电压

当占空比趋近于1时，必然会使得输出趋于无穷大，这会造成输出畸变，同时也无法得到理想的实验结果，也是没有必要的。从实验设备安全性上看，这是需要极力避免的。

3．两种电路中的L 和C 的设计应满足什么原则?

答：在确定电路参数L 和C 时，需要考虑两个问题：首先是电流的断流问题，为保证变换器在整个工作过程中都工作在电流连续区，必须首先选取合适的平波电感，使最小负载电流大于临界连续电流；其次为限制负载电流的纹波系数在一定的范围之内，必须在选择合适电感的基础之上选择合适的滤波电容。

4. 实验电路中，开关管的驱动电路的要求有哪些？

答：首先要能够产生适时、适式的可靠驱动信号，保证开关管的正常开通和关断，实现变换器的正常功能；其次要有灵敏的电压反馈环节，实现可靠的闭环稳压输

出；另外要有电流限制功能，在主电路伏在功率过大时，有效实现电流封锁；再者要有良好的软启动功能，使变换器启动时不会给主电路带来大的冲击电流；最后应具有负载过压保护环节（可利用脉冲封锁实现）。

5. 实验电路中，传感器选取原则有哪些？

答：传感器的选择，应首先具备较好的灵敏度，能够灵敏检测主电路电流的微小变化；其次要有合适的电流传输比，这样便可以将主电路电流恰当地转化为二次电流并反馈到PWM 电流检测端，与主电路相应极限电流设定值比较，进而能够及时发现过电流；在此要有较大的电流和电压容量，防止因检测电压或电流过大而造成自身的损坏。

实验三十：三相桥式相控整流电路性能研究

一．实验目的

1．了解晶闸管相控整流的移相调控原理和方法，掌握不同性质负载时三相桥式相控整流电路输出电压的控制特性。

2. 观察输出直流电压及输入交流电流波形，了解相控整流功率因数普遍低下的共病。

3. 滤波器设计

二．实验原理

相控整流的基本原理即为通过控制开关管触发脉冲相对于所承受交流电源的相位（及相控角α），来控制导通时间θ，在整流电路的输出端得到脉动的整流电压，在经过恰当的滤波器，即可得到较为理想的直流电压。

相控整流有多种电路形式，本实验着重研究三相全桥相控整流，研究负载性质对输出地影响，同时研究相控角变化对输出的影响。负载及相控角的变化对输出的影响，我们在理论方面已经有了较深的研究，因此本实验的重点在于进行实践性的检验。

当然对于如何组建电路、如何产生满足要求的驱动触发脉冲及如何实现触发脉冲与晶闸管两端电压的同步，都是本实验当中需要思考和解决的问题；此外，在实验过程中，如何调节才能实现对相控角的控制，控制的原理是什么，这些也都是需要我们在实验之前明确的。

三、实验设备

1．电力电子综合实验装置及控制电路实验板、传感器模块、供电电源、控制电源、各种功率和参数的电感、电容、电阻 2. 数字式示波器 3. 面包板和若干元器件

四．实验要求

输入三相交流电压：

五．实验参数计算及结果记录

1、接纯电阻负载R=200欧姆，观察相控角对输出电压的影响，记录输出电压、输入电流波形。

（1）当α=0°时，输出电压和输入电流波形如下图

图3-1 α=0°时，输入电流波形

图3-2 当α=0°时，输出电压波形

（2）当α=30°时，输出电压和输入电流波形如下图

图3-3 α=30°时，输入电流波形

图3-4 当α=30°时，输出电压波形

图3-5 α=60°时，输入电流波形

图3-6 α=60°时，输出电压波形

图3-7 α=90

°时，输入电流波形

图3-8 α=90°时，输出电压波形

2、接负载R =200Ω, L =133mH ，观察相控角对输出电压的影响，记录输出电压、输入电流波形

（1）当α=0°时，输出电压和输入电流波形如下图

图3-9 α=0

°时，输入电流波形

图3-10 α=0°时，输出电压波形

图3-11 α=30

°时，输入电流波形

图3-12 α=30°时，输出电压波形

图3-13 α=60

°时，输入电流波形

图3-14 α=60°时，输出电压波形

图3-15 α=90

°时，输入电流波形

图3-16 α=90°时，输出电压波形

分析：在实验中首先进行了纯阻性负载（分轻载和满载）情况下输出与相控角的关系研究，由于不能准确确定电位器调节时相控角 的准确变化，实验前列写的实验表格不能经过实验而准确填写。

接着我们进行了阻感性负载的实验，在参数设计时，为使输出电流尽量接近恒流，

我们选取了较大平波电抗器，同时为有效滤除输出电压中的高次谐波，我们根据滤波器自身谐振频率要远小于最低次谐波频率的原则，选取了合适的电容参数。从输出波形上可以看出，滤波的效果较为明显，输出电压基本为直流电压，效果基本令人满意。但不能否认的是输出电压中仍存在小的毛刺（即高频谐波），滤波效果仍待改进。

六、实验思考题

1. 观察相控整流的功率因数应该观察哪些因素（数据或波形）? 如何观察？ 答：当负载电感足够大时，输出电流可以忽略脉动，此时单相（例如a 相）输入电压波形与该相输入电流波形（近似为交变矩形波）间存在相位差；由于单相电流中含有丰富的谐波成分，从波形相位上我们只能观测到电源基波功率因数，且基波功率因数角等于相位控制角，即α0=

α，而电源的功率因数

由此可见相控角越大，则电源功率因数越低。

2. 影响相控整流电路功率因数的原因有哪些？如何提高功率因数？

答：影响相控整流功率因数的原因主要有两个方面：首先相控整流的输出电压随着相控角的增大而脉动加大，输出电压是周期性的非正弦电压，其中还有十分丰富的谐波形成分，尤其是较低此谐波幅值比较高，这使电源电压产生严重的畸变；其次相控整流还会带来移相问题，其中基波电源功率因数等于相控角，同时输入电流中亦存在着丰富的谐波成分，这两个方面的因素，使电源功率因数随着移相角的增大而迅速减小，特别是深控时，电源利用率极低，这是相控整流的一大缺点。

至于如何提高功率因数，当然就要从以上两个方面着手考虑。为改善输入电源电压波形，可以选择合适的输入滤波器，使输入电源波形尽量接近正弦波；为减小移相角的影响，可以尽量使变换器工作在相控角较小的状态下，避免深控的发生。

3. 相控整流电路滤波器设计的原则有哪些？

答：滤波器的设计不外乎考虑一下几点：对本实验，输出滤波器首先应使负载上的单次谐波电压和总谐波电压降低到允许的范围内，使输出电压电流的纹波系数PF =cos απ，

限制到一定的范围之内；而输入滤波器则要使电源中的单次谐波电流和总谐波电流降低到允许的范围内，同时使电源电压波形正弦化，提高电源的功率因数，这些是基本原则。

除此之外，也要遵循一些基本的设计原则，例如输出滤波器中的电容不能过分增加开关器件的电流，而输出滤波器的电容则应不过分增大电源电流为原则，即输入输出电容都不应过大。另外滤波器电抗也不应过大，以使负载变化时，负载电压和输入电源电压不变化过大。再者滤波器的容量不要过大，同时要考虑成本、体积和重量。

4. 相控整流电路的稳压控制需要考虑哪些问题？

答：相控整流的稳压控制也应该有输出电压发馈实现，结合实验二十九不难发现，我们可以用电压传感器采集输出电压信号，并进行反馈控制开关管驱动信号，构成闭环控制环节。但和前面试验不同的是，这里改变驱动信号控制的对象不再是开关管的导通脉宽宽度，而是相控角 。此时可以用单片机构成微机控制电路，接收来及传感器的检测信号，与给定信号比较，是输出整流电压维持在需要值。 在进行稳压控制时首先应考虑的问题就是电源的利用率问题，这是因为：由于稳压设定值的不合理，可能会造成自动反馈环节使相控角过大而是变换器进入深控状态，电源功率因数急速下降，电源利用率极低。这是稳压控制要首先考虑的。而在阻感性负载时，还要考虑反馈调节对相控角的自动控制不能使相控角过大（当处于有源逆变工作状态时，相控角接近180度），否则可能会造成换相失败，以致造成变换器失控，产生大电流，导致故障和损坏等严重后果。因此必须注意！

实验三十一：DC/AC 单相桥式SPWM 逆变电路性能研

究

一．实验目的

1、验证SPWM 逆变电路的基本工作原理，进一步掌握SPWM 驱动信号形成电路的设计方法。

2、掌握逆变电路输出电压幅值和频率的控制方法。

3、滤波器设计。

二．实验原理

正弦脉冲宽度调制（SPWM ）的基本工作原理是脉冲等效原理:大小、波形不同的窄脉冲变量，只要它们的冲量，即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。在正弦脉冲宽度调制中，使各个等幅不等宽的脉冲电压在每个脉波周期内按照正弦规律变化，则逆变电路输出的多脉波电压与正弦电压等效。

在明确了SPWM 的工作原理后，便是如何实现的问题了。本实验采用单极倍频正弦脉冲宽度调制，将正弦参考电压波和高频三角载波送入驱动信号产生电路产生驱动信号。

本实验中采用单相半桥逆变电路进行实验研究，实验目的是要通过实验进一步认识正弦脉冲宽度调制的输出电压信号同输入电压、调制比及正弦参考电压频率的关系。实验电路的主接线十分的简单，但内部驱动信号的产生电路则先对较为复杂，实验前须详细研究。

此外还要设计该逆变电路的过压和过流保护电路（主体箱内布置），在主电路两个半桥臂上各自串入一个电流传感器，将检测到的每个桥臂的电流施加到过流电路保护电路端口，并与限定值比较，实现电路过流保护。

三、实验设备

1．电力电子综合实验装置及控制电路实验板、传感器模块、供电电源、控制电源、各种功率和参数的电感、电容、电阻

2. 数字式示波器

3. 面包板和若干元器件

实验要求指标：

输入直流电压：不大于100V

输入功率：不大于100W

四、实验参数计算

1）滤波器设计：当f r =50Hz f c =5KHz ，调制比N=100，最低次谐波次数为（2N-1）

f ==1KHz

=199， 取最低次次数为200，

则滤波器的谐振频率， 可取L=66mH，C=0.33uF，此时f=1.08KHz； 当然为获得更好的滤波效果，可采用更大的电感和电容参数。

五．实验内容及数据记录

1. 参考正弦波与三角波的测量：

图4-1 参考正弦波：频率50.51Hz 峰-峰值5.20V

图4-2 三角载波：频率5.005kHz 峰-峰值20.6V

2、死区时间的测量

图4-3 死区时间测量

分析：如上图可看出，死区时间为9μs 。

3、固定调制比M=0.5与输入电压50V ，改变正弦参考波的频率：

图4-4 正弦参考波的频率位45.21Hz

输出电压峰-峰值为

2.84V

图4-5 正弦参考波的频率位70.52Hz

输出电压峰-峰值为3.20V

图4-6 正弦参考波的频率位101.0Hz

输出电压峰-峰值为3.40V

4、固定调制比M=0.5与正弦参考波的频率101.5Hz ，改变输入电压：

图4-7 输入电压为10V

输出电压峰-峰值为3.40V

图4-8 输入电压为20V

输出电压峰-峰值为

4.24V

图4-7 输入电压为30V

输出电压峰-峰值为5.44V

分析：从实验结果看，理论值和实验所得存在一定的偏差，实验所得值普遍比理论值小，造成这个现象的主要原因可能是载波比设置的过小，使得最低谐波的次数比较高，谐波影响比较大。而且，实验中发现，参考正弦波和高频载波的幅值和频率一直不太稳定，在不停的波动，使得调制比M 和载波比N 都存在不断地变化给实验带来了误差。实验室所给电路板所产生的高频三角波的频率是固定不变的，这使得调制比M 的调整受到限制，如果可以，应在次作出改进，使载波比更易调节，且能调至更大的值，进而减小误差。

六．实验思考题

1. 为什么单相半桥逆变电路的过流保护检测要比单相全桥和三相桥逆变电路多用一个电流传感器？

答：这是因为在单相全桥和三相全桥中，无论是单管过流或桥臂直通，直流输入侧的电流传感器均可检测到过电流，通过控制电路的保护检测电路后发出保护信号，关断所有开关管；而单相半桥电路如果仅在桥式电路的直流输入的一个端子（正端或者负端）串联一个电流传感器，则只能检测半个周期内一个开关管的过流状态，不能完全反映整个桥臂开关元件的过流状态，如果半个周期大于开关元件过流承受能力则会导致开关元件损坏。因此半桥逆变电路一般需在直流输入与桥臂间的两个端子均串接电流传感器，只有这样才能可靠的检测到过流，有效地保护整个电路。

2. 怎么设计死区电路? 设计的原则是什么？

答：本实验所采用的半桥逆变电路中的死区控制，通过芯片4528单稳态电路实现，控制该芯片相关端口的高低电平状态，即可使两个驱动信号之间产生可靠的延时，调节改变相关参数即可改变死区时间的大小；

死区时间设计的原则是要保证每个开关管都能可靠的关断，即死区时间应远大于开关管所需的的关断时间，防止同一桥臂上的开关管同时导通，造成电源短路形成短路电流损毁开关管和变换器。

3. 示例中，采用函数发生器作为SPWM 的正弦波来源，这样的方式是开环控制还是闭环控制？可否实现稳压？

答：很明显是开环控制，参考正弦波信号由函数发生器提供，是固定不变的，而高频三角载波的产生也不存在反馈调节（也是固定的），因此输出电压不可能影响到驱动信号，这样是不可能实现稳压控制的。

若要实现稳压控制，必须将输出电压信号进行采样后反馈到驱动信号产生电路，由输出电压检测信号和输出给定信号比较后影响驱动电路产生新的驱动信号，改变开关管的导通时间和方式，这样才能最终使输出电压稳定于给定输出电压。

4.SPWM 逆变电路的输出滤波器设计原则是什么？

答：本实验中滤波器的设计较为简单，只要使滤波器自身谐振频率远小于最低次谐波频率（本实验中约为1KHz ），因此在已有的实验条件和环境下，我们可采用尽可能大的电感和电容参数，以获得好的滤波效果，这样滤除输出电压中的高次谐波后，便可得到较理想的正弦基波。

当然滤波器的设计有一些基本要则也要考虑，这在实验三十中已经讲过，就是电感和电容参数的在尽量取得好的滤波效果的前提下，都不能过大，以减少电感（电容）对电路电源和输出电压（输入电流和输出电流）的影响。此外，容量应尽量小，价格、体积和重量在实际设计中都是应该考虑的因素。

实验三十五 DC/DC PWM 升降压变换电路（cuk 变换器）

设计

一、实验目的

通过本实验熟悉CUK 电路的特点、各种理论、输入输出的电压电流之间的关系，进一步加深对主电路和控制电路设计的理解和掌握，学会电力电子电路的设计方法。掌握集成PWM 控制芯片在实现电路方案时的各种应用。

二、实验原理

1、 CUK 变换器

CUK 变换器通过调节占空比电路既可以成为升压电路也可以成为降压电路。

图1 不带输入输出隔离的基本CUK 变换器拓扑

CUK 的电路拓扑如上图所示，电路输入电压和输出电压的极性相反，只要电感L1和L2足够大，电流纹波的幅值将非常小。若L1和L2绕在同一铁芯上，纹波幅值将有可能减小到0.

当Q1导通时，V1急剧下降，由于电容电压不能突变，V2的电压也急剧下

降相同的幅值，使VD1反偏，由于加在VD1上电流为VDC ，，储能增加。但在Q1导通前，C1左端已经被充电至VP ，其右端为地电位，此时C1已有储能，一旦Q1导通，C1相当于蓄电池，电流从左端出发， 经过Q1及R0，再通过Q2回到C1的右端。储存在C1和R2的能量就传递给R0，同时将输出滤波电容反向充电至-V0。

当Q1关断时，V1上升为正电压VP ，V2随之上升，但如上所述，它只能被VD1达到零电位。此时，L2的左端为地电位，右端为-V0，L2上的电流（储存的能量）就流经VD1和R0后回到L2的右端。

2、电路设计中的各种关系式

通过控制PWM 调节T 的开通占空比D 来控制输出。

图2 T 导通 D 截止时等效电路 图3 T 截止 D 导通时等效电路

的增

量

。 在

。

此时 而 则可推得变压比为。

三、实验设备

电力电子实验装置，相关实验模块（实验挂箱），实验控制电路板，功率供电电源，控制电源，实验箱面包板，示波器，计算机及相应的分析软件。

四、实验设计及结果

如图1连接CUK 电路，将霍尔电流传感器串接入主电路（起过电流和短路保护作用）。断电状态下、将直流电源接入DC/AC升降压变换模块的输入端。然后按以下步骤实验：

五、实验内容及数据记录

1、输入与负载一定时，占空比与输出电压的关系

输入电压63V ，负载250Ω时，调节控制信号占空比依次为2/9、1/3、1/2、5/9、2/3，分别记录输出电压，如下表：

表5-1 占空比与输出电压的关系

分析：可见输出电压随着占空比的增大而增大，与理论相符M =D

1-D 。

2、占空比与负载一定时，输出电压与输入电压的关系

开环状态下，调节控制信号占空比为1/2，负载电阻值为250Ω，分别记录输入电压、输出电压，记录为下表：

表5-2 输出电压与输入电压的关系

分析：变压比与理论相符，

3、输入电压与占空比一定时，负载与输出电压的关系

调节控制信号占空比为1/2，输入电压为50V ，分别记录负载、输出电压，记录为下表：

表5-3 负载与输出电压的关系

分析：电路断流后，提高了电路的输出电压。

实验总结

1. 实验二十八

当JP2处于不同位置时，初始电压和稳态电压不同，从图28-8中可以看到，芯片启动后脉冲封锁端4端的电位变化缓慢，从最大逐渐降到最小。起初电压大于锯齿波幅值，芯片输出驱动信号脉宽时间为0，之后脉宽时间逐渐变宽，到稳态时4端电压不为0，引起死区时间。由图示曲线可以看出，驱动信号的软启动有利于电力电子变换器的起动，并可以避免较大的冲击电流。

从图28-10中我们可以看出，输出脉宽随死区电压的升高变大，但同时，由于芯片的输出反相，故实际占空比是减小的。以上现象验证了死区电压的作用，即死区电压限制了占空比的最大值。

2. 实验二十九

本实验选取占空比的方法是先使负载端空载（实际负载端线路电阻为250Ω），输入电压为100V , 调整JP2所接电阻大小使得脉冲电压的占空比发生变化，当输出电压为50V 时认为此时对应的占空比为0.5。在之后调整电路的实验中不改变JP2所接电阻的大小。

当负载电阻增大时，输出电流增大，由于存在输出电阻使得输出电阻分压增大，负载端电压下降。由表29-2可以明显看出，并且当负载非常小的时候，由于电流过小，电路板会出现断流情况，这时变压比会有一明显升高。

由该电路的开环特性可知：电路处于开环状态下运行时，当输入电压的大小以或输出端负载的大小变化时，输出电压的大小并不能时刻保持稳定。

3. 实验三十

在本实验中采用手动调节电位器（即开环控制），改变相关控制信号端子上的电位，进而来改变相控角。但是手动调节时，我们却不能明确地观察或计算出相控角的大小变化，这给实验本身带来了许多不确定性，为后面的准确测量和误差分析也带来了许多的不便。我想这样也是本实验需要改进的地方。

在实验中首先进行了纯阻性负载（分轻载和满载）情况下输出与相控角的关系研究，由于不能准确确定电位器调节时相控角α的准确变化，实验前列写的实验表格不能经过实验而准确填写。

接着我们进行了阻感性负载的实验，在参数设计时，为使输出电流尽量接近恒流，我们选取了较大平波电抗器，同时为有效滤除输出电压中的高次谐波，我们根据滤波器自身谐振频率要远小于最低次谐波频率的原则，选取了合适的电容参数。从输出波形上可以看出，滤波的效果较为明显，输出电压基本为直流电压，效果基本令人满意。但不能否认的是输出电压中仍存在小的毛刺（即高频谐波），滤波效果仍待改进。

4. 实验三十一

从实验结果看，理论值和实验所得存在一定的偏差，实验所得值普遍比理论值小，造成这个现象的主要原因可能是载波比设置的过小，使得最低谐波的次数比较高，谐波影响比较大。而且，实验中发现，参考正弦波和高频载波的幅值和频率一直不太稳定，在不停的波动，使得调制比M 和载波比N 都存在不断地变化给实验带来了误差。实验室所给电路板所产生的高频三角波的频率是固定不变的，这使得调制比M 的调整受到限制，如果可以，应在次作出改进，使载波比更易调节，且能调至更大的值，进而减小误差。

5. 实验三十五

在实验过程中，调节电路产生pwm 波花费了较多时间，原因在于对于电路死区电压部分调节没到位，另外，实验过程中小组的合作也不到位，不同的成员有不同的想法，有时的讨论导致了进度较慢。

本实验是我首个完整计算电路参数的实验，同时，对电路板B01的结构也有了充分的理解，以前存在疑问的地方几乎都得到了解决（例如，第一次看到电路板时对于复杂的电阻电容，不清楚他们的具体作用）。对主电路参数的实际计算，加深了cuk 电路的理解。

心得与自我评价

首先，要反思和批评自己，在这几次电力电子实验中，自己显得不够耐心，有些急躁。有几个实验，都需要非常耐心的不断调试装置，并且要测得多组数据，在实验过程中，由于仪器本身的问题以及自身操作不当，一开始好久都得不到满意的波形与数据，当时自己没有静下心好好分析原因以及解决的办法，而是烦躁起来，后来是在队友的劝说和帮助下，才冷静下来将实验完成。

此次电力电子实验也让我明白了许多，作为一个团队里的一员，应该和大家团结起来，共同且愉快的完成实验，实验没能出色完成也不能去责怪谁没做好，成果是大家的，后果也应是大家一起承担的。还有，理论知识和实践能力应该两手抓，二者相辅相成，缺一不可的。由于面对实际问题的能力不够，在实验过程中经常遇到一些难题，而且也会因为基础知识不够牢固导致实验无法顺利进行。 当然，还要感谢老师对我们的悉心指导和同学对我的帮助，做实验，其他事情也一样，只靠自己也许是不行的，要能合理充分利用资源。

参考文献

【1】陈坚 康勇. 电力电子学——电力电子变换和控制技术 第三版：高等教育出版社

【2】熊蕊 信号与控制综合实验教程 华中科技大学出版社 2010