实验三 直流斩波电路实验
一·实验目的
1.掌握Buck电路的基本组成和工作原理； 2.熟悉Buck电路的基本特性；
3.掌握Buck电路的PSIM仿真模型；
4.熟悉电力电子实验台PTS-1000的操作和功能； 5.通过直接的波形展示，了解输出电压的纹波。
二·实验设备
表3-1 序号 1 型号 备注 该实验台包含4通道示波器、直流电源、PTS-1000电力电子实验交流电源、直流负载、交流负载、交/直教学平台 流功率表、Buck电路模块、仿真器 计算机一台 安装了PSIM和CCS软件 2 本实验需要掌握降压型直流斩波电路即Buck电路的工作特性。实验时，直流电源GW PSW 160-7.2 360W接入Buck电路输入端，直流电源输出电压操作范围为30~70V，直流负载GW PEL-2004与PEL-2040接入Buck电路输出端，采用示波器GW GDS-2304A/GDS-2204E观察电路电压电流信号。 Buck电路模块
本实验设备如图3-1所示，输入电压因安全考虑设定在50V，输出电压为24V。输入端先经过一个10A的保险丝，接着并联两个100uF/250V 输入电解电容，随后一个由MOS与二极管及电感(365uH)组成的降压式转换器，后端为三个100uF/250V的输出电解电容并联，最后接至输出端。
图3-1 Buck电路实验模块
辅助电源
该模块输入电压范围为100~250V，输出为三组不共地的隔离电源，分别是 (1)12V (2)12V,5V (3)15V,-15V，如图3-2所示。
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图3-2 辅助电源
MOS管驱动电路
驱动电源模块由门极驱动电路和门极驱动电源电路组成，图3-3左为门极驱动电路，右为门极驱动电源电路。输入一个12V电压至门极驱动电源，其输出为±12V的方波。门极驱动电路的输入为此±12V的方波和由DSP产生的PWM信号，输出为驱动MOS的信号。
图3-3 MOS管驱动电路
JTAG烧录电路
此电路可将计算机中的程序代码烧录至DSP芯片，如图3-4所示，计算机通过该电路与DSP连接。
图3-4 JTAG烧录电路
直流电源GW PSW 160-7.2
GW PSW 160-7.2 360W直流电源，额定电压输入为160V，输出功率360W，如图3-5所示，
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图3-5 直流电源GW PSW 160-7.2
示波器GDS-2304A/GDS-2204E
测量波形信号时使用GDS-2304A (或GDS-2204E)，4通道，彩色数字储存示波器，如图3-6所示，
图3-6 示波器GDS-2304A/GDS-2204E
直流负载PEL-2000
直流负载使用PEL-2040与PEL-2004，如图3-7所示，具有编辑功能，可模拟负载的实际状况。
图3-7 直流负载PEL-2000
三·实验原理
1、 Buck电路工作原理简介
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Buck电路拓扑如图3-8（a）所示：通过控制开关管T的开通关断控制输出电压的大小。理想情况下，忽略开关管和二极管的导通压降，具体工作波形如图3-8（b）所示：在ton阶段，开关管导通，此时直流电源Vd通过电感给负载供电，电感L、电容C进行储能，电流iL增大。在toff阶段，开关管关断，此时因为电感电流不能发生突变，二极管导通续流，电感L、电容C释放能量为负载供电，电流减小iL。，Buck电路具体工作原理可参见电力电子技术教材的有关内容。
由上述可知：VODVD ，其中D=输出电压的大小。
ton，可知改变电路的占空比可以改变
tontoff
图3-8 理想Buck电路及其波形
2、PWM控制信号产生
利用三角载波和调制波进行比较，产生PWM控制信号，此时调制波为直流，故只需让三角载波和常数进行比较，即可产生PWM信号。参考图3-9。其中三角载波频率决定PWM信号频率，三角载波幅值和常数比值决定占空比。
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1PWM波载波0.80.60.40.2调制波0Time
图3-9 PWM信号产生原理
四·实验内容
直流斩波(Buck)电路实验 (1)编写PWM波程序 (2)使用示波器测量输出波形
五·实验方法
图3-10 Buck电路
SimCoder程序设计
1.打开软件PSIM,搭建以TI F28335实现控制的SimCoder电路如图所示，其中感测电路的增益硬件上设定为：电流感测增益Ks=0.3 ，电压感测增益Kv=1/62.4。
（1）输入/电感电流采样电路
输入电流或者电感电流经电流传感器（其转换比例为0.3倍）采取电流信号，经过16k的截止频率后通过器钳位至0~3V送至DSP。 （2）输入/输出电压采样电路
输入/输出电压经电压传感器（其转换比例为1/62.4倍）采取电压信号，经过16k的截止频率，再乘上10kΩ后，得到V0信号，再经倍率1.5的OP放大器钳位至0~3V后送入DSP。
电压及电流感测信号在进入DSP A/D接脚前均经过一器使输入电压被钳位在0~3V。以上硬件电路仅供SimCoder模拟用，由于实际实作电路上DSP只接受0~3V信号，此AC信号会被提升1.5V后再经过3V的钳位后才进入A/D接脚，即DSP对于AC信号把1.5V当成0。 （3）启动/停止PWM
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总设计电路图如下：
图3-11 采用单电压极性切换的SimCoder仿真电路
2.SimCoder各部份元件的设定如下 (1)设置simulate control
（2）DSP Clock设定
DSP Clock可采用外部设定或内置，采用外部设定需自行更改External Clock参数（default=30MHz），采用内置则使用DSP speed 150MHz。本实验采用内置值。
（3）DSP F28335 硬件设定(Hardware Config)
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本实验DSP F28335的硬件设定必须在如下表中以点选打勾方式设定如下：
（4）AD Converter(ADC)设定
F28335共有16组ADC，分成A0~A7及B0~B7等信道，ADC模块需设定ADC取样模式（ADC Mode），此处设定连续（Continuous）取样模式，其次需设定各信道输入的模式（Mode）以及增益（Gain），本实验总计回授4信号，分别为负载电流（IL，A0））、电感电流（I0，A1））、输入电压（Vd，A2）及输出电压（V0，B0），只有输入电压设定为DC模式，其余为AC模式，各ADC的增益均设为1。
（5）PWM设定
用单相PWM，PWM采用40kHz的三角波，PWM三角波的振幅设定为Vp=5V，即介于0V~+5V的三角波。PWM设为起始状态不起动，由Start PWM及Stop PWM等二模组来控制其启动及截止。
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（6）Digital Input(DI)设定
本实验通过DI（使用GPIO 49）启动及关闭PWM1及PWM2。DI输入信号由DSP外部信号所产生。
（7）SCI设定
本实验通过SCI将信号传回电脑，SCI设定（SCI Config）及SCI out二模块的设定如下。SCI的通信速度设为115200bps，不使用parity check，缓冲区大小（buffer size）设定为4000点。SCI output则设定为每一点都传输。
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注意：SCI out模块必须配合ZOH模块使用，ZOH模块用以定义SCI的中断频率。
（8）SimCoder电路仿真结果
采用SimCode电路仿真结果
3.硬件电路
(1)硬件电路连接。将Buck DC-DC Converter实验模块的输入连接直流电源，输出连接直流负载，并将辅助电源与Buck DC-DC Converter实验模块连接用以对控制器供电（程序烧写之前Buck DC-DC Converter实验模块的开关保持关断）。将仿真器USB连接至计算机的USB接口，JTAG接口连接至板卡的JTAG接口上面。
(2)搭建好Buck电路的PSIM仿真，将仿真转为C语言实验程序。选择simulate，点击Generate Code，此时会产生如下图所示的C代码。C代码会自动存储到与仿真同样的路径下。
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(3)打开CCS软件，导入工程。选择Project=> Import Legacy CCSv3.3 Projects,弹出如下对话框，点击Browse，找到上一步产生的工程文件，导入；
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(4)程序编译。右击工程文件选择Build Project，或者点击误进行下一步；
(5)设置配置文件。右击工程，选择Project=> Properties=> General。Variant选择2833x Delfino系列，再选择TMS320F28335DSP微控制器。Connect选择XDS100v1型仿真器。Linker command file 选择none。最后点击Apply and Close。
。若编译无错
(6)烧写程序。打开辅助电源开关，右击工程Debug As=> 1 Code Composer Debug Session，或者点击
。
(7)用示波器观察实验波形。打开斩波模块开关，设置直流负载接入电阻值，连接示波器探头。测量PWM输出波形，输出电压Vo波形，输出电流io波形。 (8)在线改变占空比，再次观察PWM输出波形，输出电压Vo波形，输出电流io波形。在PSIM仿真软件中，点击Utilities=>DSP Oscilloscope=>修改串口（设备管理器查看串口信息）=>connect=>修改占空比（标幺）=>Update all
(9)用SIMVIEW观察实验波。形当硬件电路启动后，可以在PSIM下打开
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DSP Oscilloscope，将RS232-USB传回电脑上显示。
打开DSP Oscilloscope方法：Utilities => DSP Oscilloscope =>如图，设定Serial port(查看电脑设备管理器)，Baud rate(与SCI Configuration统一)，Parity check(与SCI Configuration统一) =>完成后选择Connect，如果连接成功，会出现绿灯和传回的信号界面。若要存取DSP Oscilloscope结果，操作程序如图所示，选择Save，选择存储目录位置，接下来可由SIMVIEW观察这些信号。
DSP Oscilloscope的设定
DSP Oscilloscope显示输出电压和电流波形
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DSP Oscilloscope显示输入电压和电流波形
DSP Oscilloscope显示波形存档到SIMVIEW显示的方法
六·实验预习
1. 仔细阅读《电力电子技术》教材第5版第162页相关内容，掌握实验原理； 2. 查阅PSIM关知识，掌握该软件的基本编程方法和简单操作。
3. 搭建图3-11所示PSIM电路仿真模型，仿真并将PWM控制信号、输出电压
uo、输出电流io波形打印粘贴至实验预习报告。
七·实验要求
1. 占空比40%，50%，60%时，记录MOS管驱动PWM波形； 2. 测量并记录上述情况对应的负载电压波形。
八·实验报告要求
1. 简述实验中观察到的现象，分析实验中观察到的波形，并对实验中出现的问
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题加以分析和解释。
2. 思考题：（1）考虑电压纹波大小具体和哪些因素有关；
（2）思考电流非连续模式下，输出电压和占空比之间的关系； （3）分别修改○1三角波周期(即开关频率f)，○2载波的幅值大小，试
分析所得的结果有什么异同； 3．写出实验小结。
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