实验五 直流斩波电路的性能研究实验报告 第五组

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操作情况 正常 考勤情况 正常 数据处理情况 正常 验 （序号） 项目名称：直流斩波电路的性能研究（六种典型线路）

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 序号 1 2 3 4 5 6 型 号 DJK01 电源控制屏 DJK20 直流斩波电路 D42 三相可调电阻 慢扫描示波器 万用表 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。 自备 自备 DJK09单相调压与可调负载 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4-12 所示。图中V 为全控型器件，选 用IGBT。D 为续流二极管。由图4-12b 中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：

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，α为导通占空比， 简称占空比或导通比(α=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α，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4-12 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4-13 所示。电路也使用一个全控型器 件V。由图4-13b 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L1 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(UO-Ui) I1ton。当电路工作于稳态时，一个周期T 内电感L1 积蓄的能量与释放的能 量相等，即：

上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

图4-13 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4-14 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：

(a)电路图 (b)波形图

图4-14 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4-15 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R—L2—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。

⑤、Sepic 斩波电路

Sepic 斩波电路的原理图如图4-16 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，C2 贮存的能

量在V 处于通态时向L2 转移。输出电压为：

⑥、Zeta 斩波电路

Zeta 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， 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：

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4-18 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4-18 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？

原理：通过开关晶体管、场效应管或IGBT将直流信号或电源切成与信号同幅值的单极性或双极性的脉

冲波。结构形式：1 降压斩波电路。2 升压斩波电路 3 升降压斩波电路 4 CUK斩波电路 5 SEPIC斩波电路 6 ZETA斩波电路 。主要元器件：1 IGBT 2电容 3 直流电源 4 电感

(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？ 因为共地问题，容易造成短路 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。 Ur(V) 11(A)占空比(%) 14(B)占空比(%) PWM 占空比(%) 1.4 11 11 1.6 17 17 1.8 22.2 22.2 2.0 28 28 2.2 31 31 2.4 33.3 33.3 2.5 36.1 36.1 22.2 33.3 44.4 55.6 66.7 66.6 73 观测点 波形类型 幅值A (V) 频率f (Hz) A(11 脚) 方波 12.5 1/0.19x10^-3 B(14 脚) 方波 12.5 1/0.19x10^-3 PWM 方波 12.5 1/1.8x10^-6 (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，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Ur，观测在不同占空比(α)时，记录Ui、UO 和α的数值 于下表中，从而画出UO=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。 Ur(V) 占空比α(%) Ui(V) Uo(V) 1.4 22.2 40 54.2 1.6 33.3 38.8 59.5 1.8 44.4 37.2 65.6 2.0 55.6 34.9 72.7 2.2 66.1 32.4 81.4 2.4 66.6 17.3 62.4 2.5 73 18.6 66 (2)整理各组实验数据绘制各直流斩波电路的Ui/UO-α曲线，并作比较与分析。

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。