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1、目录第一章 绪论61.1 电力电子学介绍61.2 电力电子的发展61.3 电力电子在我国的应用7第二章 DC/DC变换技术72.1 DC/DC变换简介72.2 降压式斩波电路原理简介82.3 升压式斩波电路原理简介9第三章 PWM技术（脉宽调制技术）103.1 PWM技术（脉宽调制技术）简介10第四章 DC/DC变换器114.1 DC/DC变换器原理图114.1.1 DC/DC变换器工作原理解析124.2 TL494简介134.3 三极管简介15第五章 DC/DC变换器的调试调试与结果165.1 调试步骤165.2 调试结果及波形绘制17第六章 课程设计心得体会18第七章 参考文献19第一章
2、绪论1.1 电力电子学介绍近二十年来, 电力电子学有了飞跃的发展。它大大推动了铁路牵引动力的现代化。直流斩波凋速就是伴随铁路牵引动力现代化而迅速发展起来袄一种新型纽牵引调速方式。电力电子学是一门将大功率半导体器件、电力电路和控制技术融为一体的跨于电力、电子、控制之间所新兴学科。它将弱电和强电、微电子电路和电力电路、微机控制和大型电气装置等紧密联系起来, 为工业现代化、自动化提供了理论基础, 成为包括铁路牵引动力现代化在内的现代技术革命仗重要技术支柱。直流斩波控制机动车的应用, 是直流牵引动力现代化的标志之一。该车的电力传动电路、控制电路和辅助电路是电力电子学的理论和技术的具体应用。本文通过分析
3、电力半导体器件的发展对斩波调速在直流牵引领域应用能推动作用, 说明迅速提高铁路电力电子学水平、提高电力电子技术科研能力, 对高速发展我国铁路运输和城市交通豹重要性。1.2 电力电子的发展1973年，Newell在美国以电力电子学命名的专家会议上，提出电力电子学是电气工程三大主要领域：电力、电子与控制之间的边缘科学。与此同时，他还对电力电子学的发展前景作了如下六点估计： （1）采用电力半导体器件的电力电子装置将继续发展，并出现过去未开拓的新领域。(2)借助于电子计算机的电路分析与器件模拟技术，将进一步发展，使理论的系统设计成为可能。而电力电子学将因此成为一门学科。(3)电力半导体器件经过研究和发
4、展，将和小信号元件同样取得迅速的发展。(4)规格化的、一般用途的开关模块(组件)，将进一步向廉价、可靠、多功能发展。模块中还将包含控制电路在内。(5)高等院校中开始出现电力电子学专业，国家将要求某些大学设这门学科。(6)本学科内，有关专业(如器件和电路)间的交流协作将加强，并出现有关电力电子学的专门人才。五年以後，日本的原岛文雄在电气学会杂志发表了一篇题为“电力电子学展望”的论文。认为形势的发展正同Newell所作的六点估计相同，并另作了以下五点补充。(7)高压及快速半导体器件将继续提高性能并降低价格。(8)交流调速技术将不断发展和普及。(9)引入微电子技术後系统的控制性能将进一步提高。(10
5、)降低无功功率及抑制高次谐波的技术将发展。(11)电力电子学将和节能结合，成为今後重要的发展方向。近两年来，节能已成为电力电子学发展的中心议题，国际上不断有专著或论文报道，并因此促进了交流调速等技术的发展。1980年日本电气学会全国大会上，佐藤则明发表了“电力电子学的新方向”(总论)一文，再次肯定了原岛文雄对发展前景所作的五点估计，并作了三点补充，强调了下述一些应用方面将迅速发展。(12)直流输电、新能源技术等发电输电方面的应用。(13)斩波器电车、超高速铁道等车辆方面的应用。(14)电力用高频振荡技术。以上是近七年来，各国专家对电力电子学发展前景的估计和评述。这些估计有一定的连续性，说明经过
6、时间的考验它们是正确的。从具体内容来看，逐年又有所增添，这是电力电子学迅速发展的必然结果。1.3 电力电子在我国的应用我国对节能技术也十分重视，电力电子技术在节能方面的应用已经开始。今後应普及电力电子技术在节能上作用的认识，围绕节能加快电力电子技术的发展。在人才培养方面，我国高等院校已开始或正在设置电力电子学专业，电力电子及电力半导体研究生也正在开始或计划培养之中。目前参加电力电子学会活动的大专院校已有五十余个。在电力半导体器件方面，正如发展前景所作的估计，也正在向功率、快速、模块、廉价四个方向发展。并根据我国当前情况，正特别强调与加强可靠性、成品率、全面参数三方面的工作。在电力电子装置方面，
7、我国当前生产最多的是牵引、电化和电热冶金、直流传动、励磁四类装置，但正如发展前景所估计的：斩波调速、交流调速、直流输电、静止补偿等方面，也已有所发展或正在开始工作。应特别指出的是：电力电子技术对日用电器的发展具有重要影响。实际上，电力半导体器件中大部分是中小型器件。在国外，日用电器是电力电子技术的最大市场之一。但由于作为发展阶段己经过去，故未列入发展前景的估计之内。我国在发展过程中，一直未能重视小功率电力半导体器件及日用电器的生产，所以和国外差距很大。当前正在大力发展日用机电产品，所以有必要强调电力电子技术为日用电器服务。由于我国民用市场庞大，估计将有一个良好的应用前景。 电力电子技术的发展，
8、加强了器件、电路、装置、系统和控制各个方面的联系，其相互间的促进会越来越明显。第二章 DC/DC变换技术2.1 DC/DC变换简介DC/DC变换电路广泛用于可调整直流开关电源和直流电机驱动中。变换器的输入是由电网电压整流而来的不可控直流电压，变换电路的功能是通过控制电压Vc将不控的直流输入变为可控的直流输出，通常把这种电路称为斩波电路或斩波器。为了简化变换电路的分析，一般作如下假设：开关是理想的，忽略感抗和容抗的损耗，直流输入电压内阻为零且有很大的滤波能力，变换电路的输出级有一个滤波器，其负载可以用一个等效电阻来代替，直流电机负载可用一个直流电压串联一组绕组电阻和电感来代替。在DC/DC变换电
9、路中，可以控制直流输出电压平均值的大小，使其适应于输入电压和输出负载的特性。在开关式DC/DC变换电路中，输入电压是固定不变的，可以利用控制开关的开通和关断时间来控制输出电压的平均值。最常用的控制输出电压的方法是在开关频率不变的情况下，改变开关的导通时间即可控制平均输出电压的大小，这种方法称为脉宽调制法或称为定频调宽法。开关的导通时间与开关周期之比定义为开关的占空比D，占空比可根据实际需要进行调整。2.2 降压式斩波电路原理简介降压斩波电路。也称为Buck变换器（Buck Converter）。降压式变换电路的输出电压平均值低于输入电流电压平均值，这种电路主要用于直流可调电源和直流电动机驱动中
10、。假定开关是理想的，负载为纯电阻负载工作原理，两个阶段 （1）t=0时V导通，E向负载供电，uo=E，io按指数曲线上升 （2）t=t1时V关断，io经VD续流，uo近似为零，io呈指数曲线下降 注意：为使io连续且脉动小，通常使L值较大 电流连续时，负载电压平均值 负载电流平均值： 电流断续时，uo平均值会被抬高，一般不希望出现 斩波电路三种控制方式 （1）脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型T不变，调节ton （2）频率调制或调频型ton不变，改变T （3）混合型ton和T都可调，使占空比改变 其中PWM控制方式应用最多2.3 升压式斩波电路原理简介工作原理 假设L值、C值很大 （1） V通
11、时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton （2）V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 （3） 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等 化简得： ，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boost变换器 ；升压比，调节其即可改变Uo。将升压比的倒数记作b，即 。b和导通占空比a有如下关系： 因此，公式可表示为 ： 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 （1）L储能之后具有使电压泵升的作用 （2）电容C可将输
12、出电压保持住第三章 PWM技术（脉宽调制技术）3.1 PWM技术（脉宽调制技术）简介PWM是（PulseWidthModulation）的缩写，意为脉冲宽度调制，也叫脉宽调制。是电力电子学中调整电压所采用的一种技术。脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压
13、或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。3.2 PWM技术（脉宽调制技术）的优点PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收
14、端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。3.3 PWM技术（脉宽调制技术）与变频，能量变换的关系PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。 从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此
15、在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABBACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。3.4 PWM技术（脉宽调制技术）的发展 在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双
16、极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。第四章 DC/DC变换器4.1
17、DC/DC变换器原理图4.1.1 DC/DC变换器工作原理解析首先通过自激振荡电路把输入的直流电转变为交流电，再通过变压器改变电压之后再转换为直流电输出，或者通过倍压整流电路将交流电转换为高压直流电输出。 主电路 从交流电网输入、直流输出的全过程，包括： 1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。 3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越校 4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。 控制电路 一
18、方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。检测电路 除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。 辅助电源 提供所有单一电路的不同要求电源。4.2 TL494简介TL494常应用于电源电路当中, 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。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。TL494是一块脉宽调制集成电路，是大多数微机电源的
19、中心控制部件，如图1 所示。TL494是16脚双列直插式集成电路，内部含有基准电压产生电路、低电压停止电路、振荡电路、间歇期调整电路、MOP 比较器、两个误差放大器和两个输出电路等，引脚配线图见图2，内电路框图见图3。以下按引脚的顺序介绍各脚的功能及有关参数。1 脚：误差放大器R 的同相输入端，耐压值41V。2 脚：误差放大器R 的反相输入端，耐压值41V。3 脚：反馈端，用于误差放大器输出信号的反馈补偿，最高电压4.5V。常用于提供形成PG 信号的一个输入信号4 脚：死区时间控制端，通过给该端施加03.5V电压，可使占空比在%49-0之间变化，从而控制输出端的输出。5 脚：振荡器的定时电容端
20、。6 脚：振荡器的定时电阻端。振荡频率7脚：接地端。8脚：为第一路脉宽调制方波输出晶体管的集电极（耐压值41V、最大电流(250mA)。9脚：为第一路脉宽调制方波输出晶体管的发射极（耐压值41V、最大电流(250mA)。10 脚：为第二路脉宽调制方波输出晶体管的发射极（耐压值41V、最大电流(250mA)。11 脚：为第二路脉宽调制方波输出晶体管的集电极（耐压值41V、最大电流(250mA)。12脚：电源输入端，极限电压41V，低于7V 电路不启动。13脚：输出方式控制端，当2 脚与 脚相连时两管为推挽方式输出，当2 脚与地相连时两管为并联方式输出。并联输出时两管的发射极与发射极可相连，集电极
21、与集电极可相连，并联后输出电流可达400mA。14脚：基准5V 电压输出，用于为各比较电路提供基准电压值，最大电流10mA。15脚：误差放大器2的反相输入端，耐压值41V16 脚：误差放大器2的同相输入端，耐压值41V。4.2.1 TL494脉冲控制控制信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
22、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。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
23、。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。4.3 三极管简介三极管是一种控制元件，三极管的作用非常的大，可以说没有三极管的发明就没有现代信息社会的如此多样化，电子管是他的前身，但是电子
24、管体积大耗电量巨大，现在已经被淘汰。三极管主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的电流放大作用。电流放大是晶体三极管的作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将Ic/Ib的比值称为晶体三极
25、管的电流放大倍数，用符号“”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。根据三极管的作用我们分析它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。三极管的作用还有电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器，此外三极管还有稳压的作用。4.3.1 三极
26、管的工作原理 三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数（=IC/IB, 表示变化量。），三极管的放大倍数一般在几十到几百倍。 三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立合
27、适的静态工作点，也叫建立偏置，否则会放大失真。 在三极管的集电极与电源之间接一个电阻，可将电流放大转换成电压放大：当基极电压UB升高时，IB变大，IC也变大，IC 在集电极电阻RC的压降也越大，所以三极管集电极电压UC会降低，且UB越高，UC就越低，UC=UB第五章 DC/DC变换器的调试调试与结果5.1 调试步骤（1）三极管基极断开，1脚的5.1K欧电阻断开时，测5脚的输出电压波形。（2）三极管基极断开，使输出电压断开，脚的5.1K欧电阻断开时，由3脚外加电压，以2.5V3.5V变化时占空比的变化。（3）1脚外加电压（4.5V5.1V）代替反馈信号，观察8、11端的电压波形。（4）接好5.1
28、K欧电阻，基极接上，电容不接，观测三级管基极对地电压波形及负载波形。（5）输入电压15V时，观察负载电压波形。（6）输入电压30V时，观察负载电压波形及纹波电压波形。注意：（1）连接电路时，应把150欧姆电阻的二号管角与TL494的8号管脚断开，可引出两根导线；连接电路时，应把5.1千欧姆电阻的一号管脚与TL494的一号管脚断开，也用两根导线将两点引出，以便于测试波形。（2）将输入端和输出端分别用两根导线引出。（3）线路连接好后，一定要检查电路，特别时TL494芯片那块连接特别复杂。（4）注意电解电容的连接，不要把极性接反。5.2 调试结果及波形绘制 第六章 课程设计心得体会这次课程设计历时一
29、个星期左右，通过这个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。 在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，生活就是这样，汗水预示着收获也见证着艰辛。虽然这次的课程设计并不是太复杂（DC/DC变换器），可是平心而论，却耗费了我们不少的时间和精力。材料发下来的那一天，我赶快就整理电路图，由于老师给的原理图与实物有较大差异，特别是TL494，原理图上的管脚布置与实物是不一样的，如果不事先整理布置图，直接就焊接电路板，第一看图接线时比较麻烦，第二检查错误时也会很复杂。这样只会造成事倍功半，是不足取的。接下来就是焊接，也是
30、花时间较多的一个环节，虽然有了布置图，但终究理论与实践还是存在差异的，在动手实践过程中会遇到许多事先没有考虑到的突发情况，这就是考验我们随机应变的能力，例如如果出现两条线交叉肯定是不行的，那我们就可以考虑采用双层布线的方式，这样就可以避免交叉，同时也可以起到扩大布线空间的作用。 通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和班级同学这几天的一起焊接，调试电路板的日子里，我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这几天来的实习，我感觉我和同学们之间的距离更加近了。过程确实很累，但当我们的板子通上电源有波形输出的时候，我们的心中
31、就不免兴奋，不免激动。以前种种艰辛这时就变成了最甜美的回忆！ 对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必可以算是我人生旅途上一个非常美好的回忆！第七章 参考文献1.电力电子学与直流斩波 北方交通大学 朱世麟 机械工业出版社2. 直流斩波电路的研制杨君, 石勇, 杨旭, 王兆安(西安交通大学电气工程学院, 陕西西安710049)中图分类号: TN 3 文献标识码:B 文章编号: 100627167 (2002) 0620090203摘要: 介绍开发本实验装置的背景, 简述降压斩波电路和升压斩波电路的原理, 并叙述实验装置的设计思路和设计结果, 最后给出装置的实验结果, 表明该实验装置性能可靠, 符合本科生实验要求。关键词: 电力电子技术; 直流斩波电路3.TL494的功能和检测方法 张国栋 2003.11摘要:介绍了微机电源关键部件TL494的各引脚功能、参数和检测方法。关键词TL494引脚；功能；检测4. 摘要：关于PWM（脉宽调制）技术
