电气化自动技术 实验二十三 直流斩波电路的性能研究(六种典型线路)V2.1版

实验二十三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
三、实验线路及原理
1、主电路
①、降压斩波电路(Buck Chopper)
降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图及工作波形如图4-14所示。

图中V为全控型器件，选用IGBT。

D为续流二极管。

由图4-14b中V的栅极电压波形U GE可知，当V处于通态时，电源U i向负载供电，U D=U i。

当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压U D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：
式中t on 为V 处于通态的时间，t off 为V 处于断态的时间，T 为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比(α=t on /T)。

由此可知，输出到负载的电压平均值U O 最大为U i ，若减小占空比α，则U O 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。

-
+-
+
U
(a)电路图
(b)波形图
图4-14 降压斩波电路的原理图及波形
②、升压斩波电路(Boost Chopper)
升压斩波电路(Boost Chopper)的原理图及工作波形如图4-15所示。

电路也使用一个全控型器件V 。

由图4-15b 中V 的栅极电压波形U GE 可知，当V 处于通态时，电源U i 向电感L 1充电，充电电流基本恒定为I 1,同时电容C 1上的电压向负载供电，因C 1值很大，基本保持输出电压U O 为恒值。

设V 处于通态的时间为t on ，此阶段电感L 1上积蓄的能量为U i I 1t on 。

当V 处于断态时U i 和L 1共同向电容C 1充电，并向负载提供能量。

设V 处于断态的时间为t off ，则在此期间电感L 1释放的能量为(U O -U i ) I 1t on 。

当电路工作于稳态时，一个周期T 内电感L 1积蓄的能量与释放的能量相等，即：
i
i on i off on on o aU U T
t
U t t t U ==+=
U GE U D t t t
U O
t on t of f
T U i
U i I 1t on =(U O -U i ) I 1t off
上式中的T/t off ≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

o
-
+-
+
(a) 电路图
U GE U D
t
t
t
U O
(b)波形图
图4-15 升压斩波电路的原理图及波形
③、升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)
升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)的原理图及工作波形如图4-16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U i 经V 向电感L 1供电使其贮存能量，同时C 1维持输出电压U O 基本恒定并向负载供电。

此后，V 关断，电感L 1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：
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。

i off
i off off
on o U t T
U t t t U =
+=
i i on on i off on o U a
a
U t T t U t t U -=-==
1
-
+o
+
-
(a) 电路图
U GE U D
t
t
t U O
(b) 波形图
图4-16 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4-17所示。

电路的基本工作原理是：当可控开关V 处于通态时，U i —L 1—V 回路和负载R —L 2—C 2—V 回路分别流过电流。

当V 处于断态时，U i —L 1—C 2—D 回路和负载R —L 2—D 回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反。

输出电压为：
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。

-+o
+
-
图4-17Cuk 斩波电路原理图
⑤、Sepic 斩波电路
i
i on on i off on o U a
a U t T t U t t U -=-==1
Sepic 斩波电路的原理图如图4-18所示。

电路的基本工作原理是：可控开关V 处于通态时，U i —L 1—V 回路和C 2—V —L 2回路同时导电，L 1和L 2贮能。

当V 处于断态时，U i —L 1—C 2—D —R 回路及L 2—D —R 回路同时导电，此阶段U i 和L 1既向R 供电，同时也向C 2充电，C 2贮存的能量在V 处于通态时向L 2转移。

输出电压为：
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。

-+o
-
+
图4-18 Sepic 斩波电路原理图
⑥、Zeta 斩波电路
Zeta 斩波电路的原理图如图4-19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U i 经开关V 向电感L 1贮能。

当V 处于断态后，L 1经D 与C 2构成振荡回路，其贮存的能量转至C 2，至振荡回路电流过零，L 1上的能量全部转移至C 2上之后，D 关断，C 2经L 2向负载R 供电。

输出电压为：
i o U a
a
U -=
1
-
+o
-
+
图4-19 Zeta 斩波电路原理图
i
i on on i off on o U a
a
U t T t U t t U -=-==1
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。

2、控制与驱动电路
控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成电路，其内部电路结构及各引脚功能如图4-20所示，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、分频器和保护电路等。

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。

图4-20 SG3525芯片的内部结构与所需的外部组件
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探头同时对两处波形进行观测？
六、实验方法
1、控制与驱动电路的测试
(1)启动实验装置电源，开启DJK20控制电路电源开关。

(2)调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，用双踪示波器分别观测SG3525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。

(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。

(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，并测出两路PWM信号之间最小的“死区”时间。

2、直流斩波器的测试(使用一个探头观测波形)
斩波电路的输入直流电压U i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U i波形，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、U GE的电压波形、U CE的电压波形及输出电压Uo和二极管两端电压U D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Ur，观测在不同占空比(α)时，记录U i、U O和α的数值于下表中，从而画出U O=f(α)的关系曲线。

七、实验报告
(1)分析图4-20中产生PWM信号的工作原理。

(2)整理各组实验数据绘制各直流斩波电路的U i/U O-α曲线，并作比较与分析。

(3)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。