读取最小占空比原始数据为8.6%。但是在之后的构成开环电压系统向负载供电实验中,读取的一个占空比值为7.1%,实验后处理数据时才发现这个值比最开始的最小占空比还小。分析原因,主要是因为读取占空比的操作是通过移动示波器上的水平和垂直准线,读取差值。由于波形在陡升和陡降时在示波器上有一定厚度,准线移动不可避免会存在误差。这里决定将最小占空比改为7.1%。
光电藕输出信号端与半桥电路中的Power-MOSFET管正确相连后,接通SG3525工作电源,记录相同占空比下的SG3525引脚11 端U11、开关管VT1的驱动信号UGS1的波形如下图
图4-8 SG3525引脚11与开关管信号UGS1波形示意图
其中,上面通道1的波形为SG3525引脚11 端U11波形,下面通道2为开关管VT1的驱动信号UGS1波形。
记录测试波形周期宽度T、幅值UGS及上升tr、下降时间tf至下表

周期宽度T/ms幅值/V上升时间tr/ms下降时间tf/ms
U117012.80.20
UGS17012.810.6

表4-9 UGS1参数记录表
(2)构成开环电压系统向负载供电
构成开环电压系统后,调节脉冲宽度,测量不同占空比下输出电压大小,数据如下

波形电压数据显示

表4-10 不同占空比下波形与输出电压值示意图合表
读取占空比和输出电压值,统计数据至如下表格中

占空比σ/%U0/V
31.412.035
38.612.025
28.611.478
22.99.761
17.17.970
14.36.855
11.46.058
7.14.358

表4-11 占空比与输出电压值记录表
调整脉宽约为15us,读取此时VT1的UGS1和变压器原边端压u1波形如下图
图4-12 UGS1与变压器原边波形示意图
其中,上图通道1为VT1的UGS1波形,下图通道2为变压器原边端压u1波形
(3)构成闭环电源系统,测试稳压性能
调节PWM占空比使电源输出电压U为5V,如图,以此作为输出标准值
图4-13 调节输出电压为5V示意图
然后将负载电阻改变至33Ω(R1+R2),测量输出电压u0的值,
图4-14 调节负载电阻后输出电压示意图
断开输出端“13”电压反馈信号后,调整电源输出电压U为5V作为输出标准值,再调整负载为33Ω时,测量实际输出
记录两种情况的输出电压并计算负载调整率至下表

U0/V负载调整率/%
接入反馈4.9191.62
断开反馈9.66193.22

表4-15 输出电压与负载调整率记录表
两次调整时,实际接线图与万用表读数展示图如下
图4-16 开环时调节标准5V示意图
图4-17 开环时调节负载为33Ω后示意图
四、实验后期研讨问题
1.绘制开环时Uo = f (σ%)的函数曲线,评估在可调占空比范围内其线性度是否保持恒定,并分析成因。
采用matlab曲线拟合工具处理数据。使用直线拟合,图像如下
图4-18 输出电压-占空比直线拟合图
使用二次函数拟合,结果为f(x) = -0.006784*x^2 + 0.5709*x + 0.3977,图像如下
图4-19 输出电压-占空比二次函数拟合图
通过图像可以看出在可调占空比范围线性度可以基本认为保持恒定。直线拟合效果在最开始较好,占空比增大到30%后拟合效果下降,但考虑到占空比与输出电压一定是正相关,最后一个数据可能存在一定的问题,这个线性度结果是可以接受的。而若使用二次函数拟合,效果较好,全程都可以保证基本贴合。
2.为什么半桥电路每个开关的最大占空比小于50%?分析本电路最大占空比的限制因素有哪些?
当最大占空比大于50%时,会出现两个开关同时导通的时段,而两个开关都导通时,会造成短路而损坏开关,所以要求每个开关各自的占空比不能超过50%,在实际电路中还要求留有裕量。
本电路最大占空比的限制因素有:晶闸管实际使用时,会有一定的开通关断时间,脉冲信号也有一定的延迟时间。并且为了避免两个开关同时导通,还应留有一定裕量。
3.说明驱动控制信号UGS上升tr、下降时间tf的测试方法;比较SG3525引脚11 端和VT1的UGS1驱动信号的品质差异,并分析传输通道对该信号品质的影响。
(1)其上升时间tr、下降时间tf的测试方法有两种:
a.可以利用示波器的光标,以方波上升从幅值的10%到幅值的90%所经历的时间作为上升时间;以方波下降从幅值的90%到幅值的10%所经历的时间作为下降时间。该方法测量方法较为麻烦。
b.利用示波器自带的measure值显示上升时间和下降时间。该方法更加便捷。
(2)比较SG3525引脚11 端和VT1的UGS1驱动信号的品质差异,由于两者的波形均为方波,将其分为三个时段进行比较
a.在波峰段,两者均非常平稳,品质较好。
b.在上升与下降阶段,SG3525引脚11 端U11上升时间和下降时间均非常短,可以认为是一瞬间,上升时,会多升一小段,然后迅速回落至稳定值。VT1的UGS1驱动信号上升时间和下降时间略长,上升时,直接平滑上升至稳定值,下降时,平滑下降至波谷。
c.在波谷段,SG3525引脚11 端U11波谷平稳为0,但中间会出现一次抖动。UGS1驱动信号整体呈趋近于0的波形,但没有抖动。品质均一般。
(3)本次实验采用的传输通道为光电耦合器,其通常具有以下特点:①光信号单向传输 ,输出信号对输入端无反馈,可有效阻断电路或系统之间的电联系,但并不切断他们之间的信号传递。②隔离性能好,输入端与输出端之间完全实现了电隔离。③光信号不受电磁波干扰,工作稳定可靠。④光发射器件与光敏器件的光谱匹配十分理想,响应速度快,传输效率高,光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒级。 ⑤抗共模干扰能力强,能很好地抑制干扰并消除噪音。⑥无触点,使用寿命长,体积小,耐冲击能力强。⑦易与逻辑电路连接。⑧工作温度范围宽,符合工业和军用温度标准。总的来说,这种传输方式广泛应用于开关电路中,对信号品质具有较小影响。
4.试阐述该电路是如何实现闭环稳压控制的?本实验中闭环控制的稳压能力是开环的多少倍?
闭环后,即拥有反馈时,当负载增大时,输出电压增大,反馈信号上的电压会变大,反馈端会将比较信号上抬,即调整输出占空比减小,又让输出电压降低使输出电压恢复到原来的值,即完成电压稳定作用。
用负载稳压率衡量稳压能力,则闭环控制的稳压能力约为开环的58倍。
5.分析项目3中,半桥变换输出波形(变压器一次绕组的u1)与PWM控制信号(UGS1)是否保持逻辑一致性,深入分析原因。
半桥型开关稳压电源如图4-2所示。在图中,UGS1为图中左上角N沟道电力MOSFET管栅极与源极之间的电压,而u1为变压器一次侧绕组电压。在本次实验中,观察二者数据可以发现,在实验中二者周期宽度,幅值等基本相同,上升时间和下降时间有所不同,但考虑到实验设备不是很精良,二者误差在实验误差允许的范围内,故可认为本次实验中u1与UGS1在实验数据上来看基本保持一致。
而从逻辑上来看,在连接电路图时,UGS1或者UGS2仅有一个在同一时间会给变压器一次侧绕组提供电压,当选择UGS1时,变压器一次侧绕组电压u1即为UGS1提供,忽略微小误差和实验设备误差,二者在逻辑上应该保持一致
五、实验评估
1.实验与理论数据偏差分析:
(1) 通过示波器读取占空比、周期、峰值等数据时,由测量误差得到的偏差;
(2) 在调节PWM占空比使电源输出空载端电压U为5V时,由于无法精确到5V造成的误差;
(3) PWM控制芯片与电路各元件如R1、R2自身原因带来的误差。
2.评估实验方案及结果的可信度:
实验方案过程详细,目的明确,有理论支持,各步骤连贯,前后形成对比,能较明显的得出各变量对结果的影响,可信度高。
因为在实验中有许多不可控的因素会造成影响,例如晶闸管无法做到瞬间开关、仪器误差、电感的影响、读数误差等等,是无法做到与理论一样的情况的。我们通过仔细接线,检查仪器,测量多组数据等方法已经尽量减小误差,结果的可信度已经较高。
3.可能的优化改进方案:
PWM控制芯片SG3525芯片的功能与TL494相似,而价格却高不少,所以如果可能在不影响结果的情况下,采用TL494芯片可以在实验出错损坏芯片时降低成本。
参考文献与使用软件清单
一、参考文献
[1] 赵莉华. 电力电子技术 [M]. 2版. 北京:机械工业出版社,2015.
[2] 王兆安,刘进军. 电力电子技术 [M]. 5版. 北京:机械工业出版社,2009.
二、使用软件清单
本次实验报告处理中,我们运用了Microsoft Office Word2016进行报告的撰写及排版,使用了Excel对表格数据进行罗列整理与计算处理;电路方面,使用了Multisim进行了电路搭建与仿真;在数据处理环节,我们运用了Matlab软件进行数据的分析与曲线的拟合;
实验心得与体会
三次实验虽然结束了,但是留给我们的思考和感悟还远没有停止。我们了解到了单相半控桥整流电路、三相全控桥整流及有源逆变电路、半桥型开关稳压电源电路的结构与工作方式、输出波形。通过运用这学期所学的知识成功完成实验并完成实验的数据处理和仿真模拟,成就感很大。另外在实验结束后,我们惊喜的发现对课本上的知识和习题更加了解、熟练了,能更加轻松准确的分析出各个电路的作用及输出的波形形式,能够熟练计算出相关的参数。“纸上得来终觉浅”,果然还是要理论与实验结合方能促进成长。
通过这次实验,我们了解了各种调试方法,熟练了运用信息化手段进行仿真,学会了用数据处理软件分析结果,懂得了在遇到各种问题时,不灰心、不气馁,静下心来思考问题究竟出在哪里,学会去查找各种资料,尽全力找到相应的解决方法。其次,通过这次实验我们懂得了一份“有灵魂的实验报告”应当是什么样子的。大学已过两年半,我们很少像这样写过一份如此充实,有血有肉的实验报告。我们在分工合作的同时相互研讨,相互学习,达到了很好的效果,也也让我们认识到了团队合作对于一项事业能否顺利完成的重要性。总而言之,这次实验很好地培养了我们动手能力、解决实际问题能力还有团队协作能力,使我们对电力电子技术有了更进一步的了解。
虽然实验最终圆满完成,但我们绝不能骄傲自满,因为这只是学业生涯的冰山一角,我们还有很长的路要走,还有许多地方需要提高;我们也明白,每次实验不单单是实验,更是一次次从各方各面充实补充自己、加深对理论知识的理解的机会。 在今后我们将更加努力,争取更出色更全面的完成任务。
因水平有限,报告可能有所纰漏,还请老师指正。最后,感谢老师的指导与辛勤付出,在这里衷心地说一声谢谢!新年将至,祝老师新年快乐,身体健康。