电力电子技术实验报告-电力电子器件GTR及其驱动电.pdf

电力电子技术实验报告电力电子技术实验报告 姓名：姓名： 何绍金 班级：班级：自动化 1202 学号：学号：201203870408 指导教师指导教师: 陈国定 2014 年 11 月 20 日 实验一实验一电力电子器件（电力电子器件（GTRGTR）及其及其驱动电路驱动电路 一实验目的一实验目的 1熟悉(GTR)的开关特性与二极管的反向恢复特性及其测试方法 2掌握 GTR 缓冲电路的工作原理与参数设计要求 3熟悉 MOSFET 主要参数的测量方法 4掌握 MOSEET 对驱动电路的要求 5掌握一个实用驱动电路的工作原理与调试方法 二实验内容二实验内容 1不同负载时的 GTR 开关特性测试。 2不同基极电流时的开关特性测试。 3有与没有基极反压时的开关过程比较。 4并联冲电路性能测试。 5串联冲电路性能测试。 6二极管的反向恢复特性测试。 7 MOSFET 主要参数： 开启阀值电压 VGS(th),跨导 gFS,导通电阻 Rds输出特性 ID=f （Vsd） 等的测试 8驱动电路的输入,输出延时时间测试. 9电阻与电阻、电感性质载时，MOSFET 开关特性测试 10有与没有反偏压时的开关过程比较 11栅-源漏电流测试 三三实验线路实验线路 电力晶体管电力晶体管(GTR)(GTR)特性研究：特性研究： 4-1 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(MOSFET)(MOSFET)特性与驱动电路研究特性与驱动电路研究 见图 21，22。 图 23 图 24 四四实验设备和仪器实验设备和仪器 1MCL-07 电力电子实验箱中的 MOSFET 与 PWM 波形发生器部分 2双踪示波器 3毫安表 4电流表 5电压表 6MCL-07 电力电子实验箱中的 GTR 与 PWM 波形发生器部分 7双踪示波器 8万用表 9教学实验台主控制屏 五五实验方法实验方法 （一）（一）电力晶体管电力晶体管(GTR)(GTR)特性研究特性研究 1 1不同负载时不同负载时 GTRGTR 开关特性测试开关特性测试 （1）电阻负载时的开关特性测试 GTR 单元的开关 S1 合向“”， 将 GTR 单元的输入“1”与“6”分别与 PWM 波形发生器的输出“1”与“2”相连，再分别连接 GTR 单元的 “3”与“5”， “9”与“7” ， “15”、“16”与“19”，“29”与“21”，以及 GTR 单元的“8”、“11”、“18”与主 回路的“4”， GTR 单元的“22”与主回路的“1”，即按照以下表格的说明连线。 GTR ：1 PWM：1 GTR：6 PWM：2 GTR：3 GTR：5 GTR：9 GTR：7 GTR：8 GTR：11 GTR：18 主回路：4 GTR：15 GTR：16 GTR：19 GTR：29 GTR：21 GTR：22 主回路：1 用示波器观察，基极驱动信号 ib（“19”与“18”之间）及集电极电流 ic（“21”与“18” 之间）波形，记录开通时间 ton，存贮时间 ts、下降时间 tf。 ton=1.8us，ts=1.8us，tf=2.0us 示波器波形如图 1 所示： 图 1电阻负载时 GTR 开关波形（依次为ton、tS与 tf相应波形） （2）电阻、电感性负载时的开关特性测试 除了将主回器部分由电阻负载改为电阻、电感性负载以外（即将“1”与“22”断开而 将“2”与“22”相连)，其余接线与测试方法同上。 ton=2.4us，ts=0.6us，tf=1.0us 示波器波形如图 2 所示： 图 2 电阻、电感负载时 GTR 开关波形（依次为ton、tS与 tf相应波形） 2不同基极电流时的开关特性测试 （1）基极电流较小时的开关过程 断开 GTR 单元“16”与“19”的连接，将基极回路的“15”与“19”相连，主回路的 “1” 与 GTR 单元的 “22” 相连， 其余接线同上， 测量并记录基极驱动信号 ib （ “19” 与“18” 之间）及集电极电流 ic（“21”与“18”之间）波形，记录开通时间 ton，存贮时间 ts、下降 时间 tf。 ton=1.8us，ts=1.0us，tf=1.2us 示波器波形如图 3 所示： 图 3基极电流较小时 GTR 开关波形（依次为ton、tS与 tf相应波形） （2）基极电流较大时的开关过程 将 GTR 单元的“15”与“19”的连线断开，再将“14”与“19”相连，其余接线与测 试方法同上。 ton=2.2us，ts=0.6us，tf=1.4us 示波器波形如图 4 所示： 图 4基极电流较大时 GTR 开关波形（依次为ton、tS与 tf相应波形） （二）（二）功率场效应晶体管功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路研究特性与驱动电路研究 1 1MOSFETMOSFET 主要参数测试主要参数测试 （1）开启阀值电压 VGS(th)测试 开启阀值电压简称开启电压，是指器件流过一定量的漏极电流时（通常取漏极电流 ID=1mA)的最小栅源电压。 在主回路的“1”端与 MOS 管的“25”端之间串入毫安表，测量漏极电流 ID，将主回 路的“3”与“4”端分别与 MOS 管的“24”与“23”相连，再在“24”与“23”端间接入 电压表, 测量 MOS 管的栅源电压 Vgs，并将主回路电位器 RP 左旋到底，使 Vgs=0。 将电位器 RP 逐渐向右旋转，边旋转边监视毫安表的读数，当漏极电流 ID=1mA 时的栅 源电压值即为开启阀值电压 VGS（th）。 读取 67 组 ID、Vgs，其中 ID=1mA 必测，填入表 26。 表 26 ID（mA）0.360.580.8411.412.009.13 Vgs（V）3.5583.6083.6503.6693.7083.7463.921 （2）跨导 gFS测试 双极型晶体管（GTR）通常用 hFE（）表示其增益，功率 MOSFET 器件以跨导 gFS表 示其增益。 跨导的定义为漏极电流的小变化与相应的栅源电压小变化量之比，即=ID/VGS。 典型的跨导额定值是在 1/2 额定漏极电流和 VDS=15V 下测得，受条件限制，实验中只 能测到 1/5 额定漏极电流值。 根据表 26 的测量数值，计算。 表 27 ID（mA）0.360.580.8411.412.00 4.406.198.4210.5115.5240.72 （3）转移特性 IDf（VGS） 栅源电压 Vgs 与漏极电流 ID的关系曲线称为转移特性。 根据表 26 的测量数值，绘出转移特性。 如图 5。 图 5 (4)导通电阻 RDS测试 导通电阻定义为 RDS=VDS/ID 将电压表接至 MOS 管的“25”与“23”两端，测量 UDS，其余接线同上。改变 VGS从 小到大读取 ID与对应的漏源电压 VDS，测量 5-6 组数值，填入表 28。 表 28 ID（mA）0.10.50.712.05.010.0 VDS（V）15.1615.1515.1415.1415.1015.0114.86 如图 6。 图 6。 (5)IDf（VSD）测试 IDf（VSD）系指 VGS0 时的 VDS特性，它是指通过额定电流时，并联寄生二极管的 正向压降。 a在主回路的“3”端与 MOS 管的“23” 端之间串入安培表，主回路的“4”端与 MOS 管的“25”端相连，在 MOS 管的“23”与“25”之间接入电压表，将 RP 右旋转到底， 读取一组 ID与 VSD的值。 由实验得：ID=0.003AVSD=0.13V b将主回路的“3”端与 MOS 管的“23”端断开，在主回路“1”端与 MOS 管的“23” 端之间串入安培表，其余接线与测试方法同上，读取另一组 ID与 VSD的值。 由实验得：ID=0.565AVSD=0.769V c将“1”端与“23”端断开，在在主回路“2”端与“23”端之间串入安培表，其余 接线与测试方法同上，读取第三组 ID与 VSD的值。 由实验得：ID=0.653AVSD=0.781V 2 2快速光耦快速光耦 6N1376N137 输入、输出延时时间的测试输入、输出延时时间的测试 将 MOSFET 单元的输入“1”与“4”分别与 PWM 波形发生器的输出“1”与“2”相 连，再将 MOSFET 单元的“2”与“3”、“9”与“4”相连，用双踪示波器观察输入波形 （“1”与“4”）及输出波形（“5”与“9”之间），记录开门时间 ton、关门时间 toff。 由实验得 ton= 20ns，toff= 15ns 3 3驱动电路的输入、输出延时时间测试驱动电路的输入、输出延时时间测试 在上述接线基础上，再将“5”与“8”、“6”与“7”、“10”、“11”与“12”、“13” 、 “14”与“16”相连，用示波器观察输入“1”与“4”及驱动电路输出“18”与“9”之间 波形，记录延时时间 toff。 由实验得 toff=8ns 4 4电阻负载时电阻负载时 MOSFETMOSFET 开关特性测试开关特性测试 （1）无并联缓冲时的开关特性测试 在上述接线基础上，将 MOSFET 单元的“9”与“4”连线断开，再将“20”与“24”、 “22”与“23”、“21”与“9”以及主回路的“1”与“4”分别和 MOSFET 单元的“25” 与“21”相连。用示波器观察“22”与“21”以及“24”与“21”之间波形（也可观察“22” 与“21”及“25”与“21”之间的波形），记录开通时间 ton与存储时间 ts。 由实验得 ton=0.1us，ts=0.08us （2）有并联缓冲时的开关特性测试 在上述接线基础上，再将“25”与“27”、“21”与“26”相连，测试方法同上。 5 5电阻、电感负载时的开关特性测试电阻、电感负载时的开关特性测试 （1）有并联缓冲时的开关特性测试 将主回路 “1” 与 MOSFET 单元的 “25” 断开， 将主回路的 “2” 与 MOSFET 单元的“25” 相连，测试方法同上。 由实验得 ton=0.4us，ts=0.6us （2）无并联缓冲时的开关特性测试 将并联缓冲电路断开，测试方法同上。 6 6有与没有栅极反压时的开关过程比较有与没有栅极反压时的开关过程比较 （1）无反压时的开关过程 上述所测的即为无反压时的开关过程。 （2）有反压时的开关过程 将反压环节接入试验电路，即断开 MOSFET 单元的“9”与“21”的相连，连接“9” 与“15”，“17”与“21”，其余接线不变，测试方法同上，并与无反压时的开关过程相比 较。 由实验得 ton=3us，ts=1.7us 六、思考题六、思考题 1增大栅极电阻可消除高频振荡，是否栅极电阻越大越好，为什么？请你分析一下， 增大栅极电阻能消除高频振荡的原因。 答： 栅极电阻太大了 会与 MOSFET 的极间电容形成 RC 电路会严重印象 MOSFET 的充放电 时间，造成 MOSFET 消耗功率过高，发热严重。MOSFET 当中的高频振荡原因是，由 MOSFET 的结电容和栅极回路中的寄生电感共同作用产生的， 也就是说 MOSFET 在开通关断时， MOSFET 的结电容存在一个充电和放电的动作，而充电、放电电流都要流过 MOSFET 的栅极回路，如 果在栅极回路里存在寄生电感， 就会产生 L*di/dt 一个电压尖峰， 可见电流变化速度直接会 影响电压尖峰的大小，如果增加栅极电阻，充电、放电电流相应会减小，结电容容量不变的 情况下，充电时间会变长，上面公式里的 dt 会变大，所以 L*di/dt 就会相应减小。也就消 除了高频振荡。 2从实验所测的数据与波形，请你说明 MOSFET 对驱动电路的基本要求有哪一些？你 能否设计一个实用化的驱动电路。 答： （1） 开关管导通期间驱动电路能保证 MOSFET 栅源间电压保持稳定使其可靠导通。 （2）驱动电路结构尽量简单，最好有隔离。 正激驱动电路如图 25。 图 25 3从理论上说，MOSFET 的开、关时间是很短的，一般为纳秒级，但实验中所测得的 开、关时间却要大得多，你能否分析一下其中的原因吗？ 答： 实验中加入了缓冲电路， 对实验结果尤其的开关特性有着非常大的影 响。 七、七、实验总结实验总结 实验刚开始时，没有深入理解 ton 、ts、tf 的实际意义，造成实验初期的茫然。通过 翻看书本，与同伴仔细翻看教科书，最终正确理解了其准确含义。通过准确的理解实验本身 的意义，同时仔细查验了线路连接是否准确，最终较为正确的完成了本次实验。个人总结： 以后每次实验都必须认真预习所学内容， 确保对实验的透彻理解。 实验中由于器件工作在开 关状态，而且是功率器件，因此在测量时温升都较大。 实验二实验二晶体管触发电路及单相桥式全控整流电路晶体管触发电路及单相桥式全控整流电路 一一. .实验目的实验目的 1.加深理解锯齿波同步移相触发电路的工作原理及各元件的作用。 2.掌握锯齿波同步触发电路的调试方法。 3.了解单相桥式全控整流电路的工作原理。 4.研究单相桥式全控整流电路在电阻负载、电阻电感性负载的工作。 5.熟悉 MCL-36 锯齿波触发电路的工作。 二二. .实验线路及原理实验线路及原理 锯齿波触发电路图： 锯齿波同步移相触发电路： 单相桥式全控整流电路： 三三. .实验内容实验内容 1.锯齿波同步触发电路的调试。 2.锯齿波同步触发电路各点波形观察，分析。 3.单相桥式全控整流电路供电给电阻负载。 4.单相桥式全控整流电路供电给电阻-电感性负载。 四四. .实验设备及仪器实验设备及仪器 锯齿波实验: 1.MCL型电机控制教学实验台主控制屏 2.MCL-18 组件 3.MCL-36 组件 4.双踪示波器 5.万用表 单相桥式电路: 1.MCL型电机控制教学实验台主控制屏 2.MCL-18 组件 3.MCL-33 组件 4.MCL-36 组件 5.MCL-03 可调电阻器 450（900并联） 6.双踪示波器 7.万用表 五五. .实验方法实验方法 锯齿比实验：1.将实验台主控制屏左下角的交流电源 U、N 输出端接到 MCL-36 同步电压 输入 U、N 端，将 MCL-36 上的直流输出电压+15V、15V 和地接到 MCL-18 上的+15V、15V 和地端。将 MCL-18 上“ gU ”输出端接到 MCL-36 的ctU上。 2.三相调压器逆时针调到底， 合上主电路电源开关， 调节主控制屏输出电压UNU=110V。 用示波器观察各观察孔的电压波形，示波器的地线接于“7”端。 同时观察“1”、“2”孔的波形，了解锯齿波宽度（“3”孔）和“1”点波形的关系。 调整电位器 RP1，使“3”的锯齿波刚出现平顶，记下 V1、V2、V3、V4、V5、V6 各波形的幅 值与宽度，比较电压4U与5U的对应关系，如下表所示。 V1V2V3V4V5V6 幅值(v)11.97.0013.50.959.824.2 宽度（ms）20.620.620.620.620.620.6 整理得各点波形图为 3.调节脉冲移相范围 “ gU ”输出电压调至 0V，即将控制电压ctU（= gU ）调至零，用示波器观察2U电 压（即“2”孔）及 6U的波形，调节偏移电压 Ub（即调 RP2），使=180°，其波形如下 图所示。 调节 MCL-18 的给定电位器 RP1，增加ctU，观察脉冲的移动情况，要求ctU=0 时， =180°，ctU= maxU时，=30°，以满足移相范围=30°180°的要求。 4.用导线连接“K1”和“K3”端（并接到示波器地线）。用双踪示波器观察11KGU和 33KGU的波形，调节电位器 RP3，使11KGU和33KGU间隔 180°。 实验后总结锯齿波同步触发电路移相范围的调试方法，移相范围的大小与哪些参数有关？ 答：调节电位器 RP2，改变偏移电压 Ub，从而改变。 移相范围与电位器 RP1，Uct 的大小等参数有关。 实验中如果要求 Uct=0 时，=90°，应如何调整？ 答： 将 Ug 输出电压调至 0V， 即将控制电压 Uct 调至零， 用示波器观察 U2 电压及 U6 的波形， 调节偏移电压 Ub，使=90°。 讨论分析其他实验现象： 实验中无法观察到 UG1K1 和 UG3K3 的波形， 后发现是由于 UG1K1 和 UG3K3 的输出端有电容影 响，故观察输出脉冲电压波形时需接负载，即接到晶闸管的门极和阴极，才能观察到波形。 单相桥式全控整流电路实验：1.按图接线，将实验台主控制屏面板左下角的交流电源 U、 N 输出端接到 MCL-36 同步电压输入 U、N 端，将 MCL-36 面板上锯齿波触发脉冲输出端（G1、 K1,G2、K2，G3、K3，G4、K4)分别接到 MCL-33 面板上相应的晶闸管 VT1、VT6、VT3、VT4 上。 2.三相调压器逆时针调到底， 合上主电路电源开关， 调节主控制屏输出电压UNU=110V， 并打开 MCL-18 面板右下角的电源开关。观察 MCL-36 锯齿波触发电路中各点波形是否正确。 3.单相桥式全控整流电路供电给电阻负载。 按图接线，接上电阻（450，可采用两只 900电阻并联）、平波电抗器（700mH）负 载，并调节电阻负载至最大，短接平波电抗器。合上主电路电源，使ctU=0 时，调节偏移 电阻 RP2，使=150°。注意观察单相桥式整流输出波形（把示波器探头接到负载电阻两端 即dU)。 再调节ctU，求取在不同角(30°、60°、90°）时整流电路的输出电压dU=f（t）， 晶闸管的端电压VTU=f（t）的波形，并记录相应时的、dU和交流输入电压 2U值。 若输出电压dU的波形不对称，可分别调整锯齿波触发电路中 RP1，RP3 电位器。 30°60°90° ctU(V) 2.11.10.2 dU(V) 744824 2U(V) 110110110 波形如下图所示： =30°时输出电压 Ud 波形 =60°时输出电压 Ud 波形 =90°时输出电压 Ud 波形 分析：晶闸管的导通范围随的增大而减小，大小为 180°-，U 的输出波形为|sint|， 每个周期的 0角度输出为 0. 4.单相桥式全控整流电路供电给电阻电感性负载。 断开平波电抗器短接线， 调节电阻负载至最大， 求取在不同控制电压ctU时的(=30°、 60°、90°）输出电压dU=f(t),负载电流 di =f（t)以及晶闸管端电压VTU=f（t）波形 并记录ctU时的dU、2U值。 30°60°90° ctU(V) 2.21.10.2 dU(V) 664320 2U(V) 110110110 波形如下图所示： =30°时输出电压 Ud 波形 =60°时输出电压 Ud 波形 =90°时输出电压 Ud 波形 分析：由于电感的作用，输入电压过零变负时晶闸管中仍有电流流过，并不关断，直至t= +，即下个脉冲来临时，才使前两组晶闸管关断，因此 Ud 将出现负的波形，负值出现的 角度长为。 其中该实验整流电路的输入输出特性 dU=f（ctU），触发电路特性ctU=f（）及 dU/2U=f（）如下图所示 （1）电阻负载时 （2）电阻电感性负载时 六六. .实验总结实验总结 实验初期，没有正确理解“脉冲移向范围”的实际意义，结合教科书和实验指导书，最 终正确理解了其准确含义。 通过对单相桥式全控整流电路实验， 了解了单相桥式全控整流电 路的工作原理， 对单相桥式全控整流电路在电阻负载、 电阻电感性负载的工作这方面的理 解也有所加强。