电力电子技术实验讲义

1、电力电子技术实验讲义201321111031张杨福电子信息工程1301班电子信息工程学院二一四年七月目 录实验注意事项-务必遵守！1实验一 GTR MOSFET特性及驱动电路2实验二 直流斩波电路7实验三 半桥型开关稳压电源9实验四 全桥DC/DC变换电路实验11实验五 单相正弦波（SPWM）逆变电源13实验注意事项-务必遵守！主电源电压为110V！一注意人身安全1接线、拆线、连接探头时: 一律关闭主电源2在主电源打开后，不得再进行任何电路调正，仅观察波形、记录数据即可3调整连线、修改测试点时：先关闭主电源二打开主电源前须经指导老师检查主电源电压为110V，主功率回路接线错误将会烧毁模块！ 实

2、验一 GTR、MOSFET特性及驱动电路一实验目的1熟悉GTR、MOSFET的开关特性。2掌握GTR、MOSFET缓冲电路的工作原理与参数设计要求。3掌握GTR、MOSFET对驱动电路的要求。4熟悉GTR、MOSFET主要参数的测量方法。二实验内容1GTR的特性与驱动电路研究。2MOSFET的特性与驱动电路研究。三实验设备和仪器1NMCL-07C电力电子实验箱2双踪示波器（自备）3万用表（自备）4教学实验台主控制屏四实验方法1、GTR的特性与驱动电路研究（1）GTR的贝克箝位电路性能测试（a）不加贝克箝位电路时的GTR存贮时间测试将开关S1拨到15V，S2接地，PWM波形发生器的输出端“21”

3、（占空比为50%）与面板上的“20”相连，“24与“10”、“11与“15”、 “17”与GTR的“B”端，“14”与GTR的“E”端、18”与主回路的“3”、 “19”与主回路“1”、GTR的“C”端相连。用双踪示波器观察基极驱动信号UB（“15”与“18”之间）及集电极电流IE（“14”与“18”之间）波形，记录存贮时间ts。ts=（b）加上贝克箝位电路后的GTR存贮时间测试在上述条件下，将“15”与“16”相连，观察与记录ts的变化。ts=（2）不同负载时GTR的开关特性测试（a）电阻负载时的开关特性测试GTR：将开关S1拨到15V，S2接地，PWM波形发生器的“21”与面板上的“20”

4、相连，“24与“10”、“12”、“13”与“15”、“17”与GTR的“B”端、14”和GTR的“E”端、“18”与主回路的“3”相连、GTR“C”端与主回路的“1”相连。E用示波器分别观察，基极驱动信号IB(“15”与“18”之间) 的波形及集电极电流IE(“14”与“18”之间) 的波形，记录开通时间ton，存贮时间ts、下降时间tf。ton= us，ts= us，tf= us（b）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”断开，而将“2”相连)，其余接线与测试方法同上。ton= us，ts= us，tf= us（3）不同基极电流时的开

5、关特性测试（a）断开 “13”与“15”的连接，将基极回路的“12”与“15”相连，其余接线同上，测量并记录基极驱动信号IB（“15”与“18”之间）及集电极电流IE（“14”与“18”之间）波形，记录开通时间ton，存贮时间ts、下降时间tf。（b）将GTR的“12”与“15”的连线断开，将“11”与“15”相连，其余接线与测试方法同上。ton= us，ts= us，tf= us（4）GTR有与没有基极反压时的开关过程比较（a）没有基极反压时的开关过程测试-与上述3测试方法相同。（b）有基极反压时的开关过程测试GTR：将原来的“18”与“3”断开，并将“18”与“9”以及“8”与“3”相连，

6、其余接线同上，测量并记录基极驱动信号IB（“15”与“8”之间）及集电极电流IE（“14”与“8”之间）波形，记录开通时间ton，存贮时间ts、下降时间tf。ton= us，ts= us，tf= us（5）并联缓冲电路作用测试（a）带电阻负载GTR：“4”与GTR的“C”端相连、“5”与GTR “E”端相连，观察有与没有缓冲电路时 “18”与“15”及“18”与GTR的“C”端之间波形。（b）带电阻，电感负载将1断开，将2接入，观察有与没有缓冲电路时 “18”与“15”及“18”与GTR“C”之间波形。2、MOSFET的特性与驱动电路研究（1）不同负载时MOSFET的开关特性测试（a）电阻负载

7、时的开关特性测试MOSFET：将开关S1拨到15V，S2接地，PWM波形发生器的“21”与面板上的“20”相连，“26”与功率器件MOSFET的“G”端、“D”端与主回路的“1”、“S”端与“14” 、“18”与主回路的“3”相连。用示波器分别观察，栅极驱动信号IB（“G”端与“18”之间) 的波形及电流IC(“14”与“18”之间) 的波形，记录开通时间ton，存贮时间ts、下降时间tf。 ton= us，ts= us，tf= us（b）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”断开，而将“2”相连)，其余接线与测试方法同上。 ton= u

8、s，ts= us，tf= us（2）不同栅极电流时的开关特性测试（a）断开 “26”与“G”端的连接，将栅极回路的“27”与“G”端相连，其余接线同上，测量并记录栅极驱动信号IG（“G”端与“18”之间）及电流IS（“14”与“18”之间）波形，记录开通时间ton，存贮时间ts、下降时间tf。（b）断开 “27”与“G”端的连接，将栅极回路的“28”与“G”端相连，其余接线与测试方法同上。 ton= us，ts= us，tf= us（3）MOSFET有与没有栅极反压时的开关过程比较（a）没有栅极反压时的开关过程测试-与上述2测试方法相同。（b）有栅极反压时的开关过程测试MOSFET：将原来的“

9、18”与“3”断开，并将“18”与“9”以及“8”与“3”相连，其余接线与测试方法同上。 ton= us，ts= us，tf= us（4）并联缓冲电路作用测试（a）带电阻负载MOSFET：“6”与MOSFET的“D”端相连、“7”与“S”端相连，观察有与没有缓冲电路时 “G”端与“18”及MOSFET的“D”端与 “29”之间波形。（b）带电阻，电感负载将1断开，将2接入，有与没有缓冲电路时，观察波形的方法同上。五实验报告1绘出电阻负载与电感负载有与没有并联缓冲电路时的开关波形，并说明并联缓冲电路的作用，并在图上标出ton、toff。2绘出MOSFET有与没有基极、栅极反压时的开关波形，并分析

10、其对关断过程的影响。实验二 直流斩波电路一实验目的熟悉三种斩波电路（buck chopper 、boost chopper )的工作原理，掌握这三种斩波电路的工作状态及波形情况。二实验内容1SG3525芯片的调试。2斩波电路的连接。3斩波电路的波形观察及电压测试。三实验设备及仪器1电力电子教学试验台主控制屏2NMCL-22组件3双踪示波器（自备）4万用表（自备）四实验方法按照面板上各种斩波器的电路图，取用相应的元件，搭成相应的斩波电路即可。1SG3525性能测试 先按下开关S1（1）锯齿波周期与幅值测量(分开关s2、s3、s4合上与断开多种情况）。测量“1”端。（2）输出最大与最小占空比测量。

11、测量“2”端。2buck chopper(1)连接电路。将UPW(脉宽调制器)的输出端2端接到斩波电路中IGBT管VT的G端,分别将斩波电路的1与3，4与12，12与5，6与14，15与13，13与2相连，照面板上的电路图接成buck chopper斩波器。(2)观察负载电压波形。经检查电路无误后,按下开关s1、s8，用示波器观察VD1两端12、13孔之间电压，调节upw的电位器rp，即改变触发脉冲的占空比，观察负载电压的变化，并记录电压波形 (3)观察负载电流波形。用示波器观察并记录负载电阻R4两端波形.3boost chopper（1）照图接成boost chopper电路。电感和电容任选

12、,负载电阻r选r4或r6。实验步骤同buck chopper。4buck-boost chopper（1）照图接成buck-boost chopper电路。电感和电容任选,负载电阻r选r4或r6。实验步骤同buck chopper实验三 半桥型开关稳压电源一实验目的熟悉典型开关电源电路的结构，元器件和工作原理，要求主要了解以下内容。1主电路的结构和工作原理。2PWM控制电路的原理和常用集成电路。3驱动电路的原理和典型的电路结构。二实验内容1SG3525的输出波形观察。2半桥电路中各点波形的观察。三实验设备及仪器1电力电子及电气传动教学实验台主控制屏2NMCL-16组件3双踪示波器（自备）4万用

13、表（自备）四实验方法1SG3525的调试将开关S1打向“半桥电源”，分别连接“5”和“6”端，以及“9”端和“10”端，“3”端和“4”端，用示波器分别观察锯齿波输出（“1”端）和A、B两路PWM信号的波形（分别为“5”端和“9”端对地波形），并记录波形，频率和幅值，调节“脉冲宽度调节”电源器，记录其占空比可调范围。2断开主电路和控制电路的电源，分别将“PWM波形发生”的“7”、“8”和“半桥型开关稳压电源”的G1、S1端相连，将PWM波形发生的“11”、“12”端和“半桥型开关稳压电源”的G2、S2端相连。经检查接线无误后，将扭子开关S2打向“ON”，分别观察两个MOSFET管VT1、VT2

14、的栅极G和源极S间的电压波形，记录波形，周期、脉宽、幅值及上升、下降时间。3断开主电路和控制电路的电源，分别将“主电源1”的“1”端、“2”端与“半桥开关稳压电源”的“1”、“2”端相连，然后合上控制电源以及主电源(注意：一定要先加控制信号，后加主电源否则极易烧毁“主电源1”的保险丝)，用示波器分别观察两个MOSFET的栅源电压波形和漏源电压波形，记录波形、周期、脉宽和幅值，特别注意：不能用示波器同时观察两个MOSFET的波形，否则会造成短路，严重损坏实验设备。4分别将“半桥型开关稳压电源”的“8”、“10”端相连，“9”、“12”端相连（负载电阻为33），记录输出整流二极管阳极和阴极间的电压

15、波形（“5”和“7”端之间，以及“6”端和“7”端间）记录波形、周期、脉宽以及幅值，观察输出电源电压u0中的波形（“12”端和“10”端间），记录波形、幅值，并观察主电路中变压器T的一次测电压波形（“3”端和“4”端）以及二次测电压波形（“5”端和“9”端间，“6”端和“9”端间），记录波形、周期、脉宽和幅值。5断开“9”和“12”之间的连线，连接“9”和“11”（负载电阻为3），重复4的实验内容。特别注意：用示波器同时观察二个二极管电压波形时，要注意示波器探头的共地问题，否则会造成短路，并严重损坏实验装置。6断开“PWM波形发生”的“3”，“4”两点间连线，将“半桥型开关稳压电源”的“13”

16、端连至“半桥型稳压电源”的“2”端，并将“半桥型稳压电源”的“9”端和“PWM波形发生”的地端相连，调节“脉冲宽度调节”电位器，使“半桥型开关稳压电源”的输出端（“8”和“9”端间）电压为5V，然后断开“9”，“11”端连线，连接“9”，“12”端（负载电阻改变至33），测量输出电压u2的值，计算负载调整率实验四 全桥DC/DC变换电路实验一实验目的1掌握可逆直流脉宽调速系统主电路的组成、原理及各主要单元部件的工作原理。2熟悉直流PWM专用集成电路SG3525的组成、功能与工作原理。3熟悉H型PWM变换器的各种控制方式的原理与特点。二实验内容1PWM控制器SG3525性能测试。2H型PWM变换

17、器DC/DC主电路性能测试。三实验系统的组成和工作原理全桥DC/DC变换脉宽调速系统的原理框图如图611所示。图中可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，UPW为脉宽调制器，DLD为逻辑延时环节，GD为MOS管的栅极驱动电路，FA为瞬时动作的过流保护。全桥DC/DC变换脉宽调制器控制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。四实验设备及仪器1教学实验台主控制屏2NMCL31组件3NMCL22

18、组件4MEL03A组件5双踪示波器(自备)五实验方法1UPW模块的SG3525性能测试（1）用示波器观察UPW模块的“1”端的电压波形，记录波形的周期、幅度。（2）用示波器观察“2”端的电压波形，调节RP2电位器，使方波的占空比为50%。（3）用导线将给定模块“G”的“1”和“UPW”的“3”相连，分别调节正负给定，记录“2”端输出波形的最大占空比和最小占空比。2控制电路的测试（1）逻辑延时时间的测试在上述实验的基础上，分别将正、负给定均调到零，用示波器观察“DLD”的“1”和“2”端的输出波形，并记录延时时间td= （2）同一桥臂上下管子驱动信号列区时间测试分别将“隔离驱动”的G和主回路的G

19、相连，用双踪示波器分别测量VVT1.GS和VVT2.GS以及VVT3.GS和VVT4.GS的列区时间：tdVT1.VT2= tdVT3.VT4=3DC/DC波形观察按图611a接线。（1）波形的测试a将正、负给定均调到零，交流电压开关合向AC200V，合上主控制屏电源开关。b调节正给定，观察电阻负载上的波形。c调节给定值的大小，观察占空比的大小的变化。六思考题1为了防止上、下桥臂的直通，有人把上、下桥臂驱动信号死区时间调得很大，这样做行不行，为什么？您认为死区时间长短由哪些参数决定？实验五 单相正弦波（SPWM）逆变电源一实验目的1掌握单相正弦波（SPWM）逆变电源的组成、工作原理、特点、波形

20、分析与使用场合。2熟悉正弦波发生电路、PWM专用集成电路SG3525的工作原理与使用方法。二实验内容1正弦波发生电路调试。2PWM专用集成电路SG3525性能测试。3带与不带滤波环节时的负载两端，MOS管两端以及变压器原边两端电压波形测试。4不同调制度M时的负载端电压测试。三实验系统组成及工作原理能把直流电能转换为交流电能的电路称为逆变电路，或称逆变器。单相逆变器的结构可分为半桥逆变器、全桥逆变器和推挽逆变器等形式。本实验系统对单相推挽逆变电路进行研究。推挽逆变器的主要优点是在任何时刻导通的开关不会多于一个，对于输出相同的功率，开关损耗比较小，因此，特别适用于由低直流电压（如电池）供电的场合。

21、另外，两个开关管的驱动信号是共地的，可简化驱动电路，其不足是变压器原边绕组利用率低，当变压器原边两个绕组不完全对称时或者两开关器件特性不对称时，还可能出现直流磁化饱和现象。逆变器主电路开关管采用功率MOSFET管，具有开关频率高、驱动电路简单、系统效率较高的特点。当开关其间VT1、VT2轮流导通，再经推挽变压器升压后，即可在负载端得到所需频率与幅值的交流电源。脉宽调制信号由专用集成芯片SG3525产生。SG3525芯片不仅能产生频率灵活可变的方波，而且可输出正弦PWM（SPWM）信号，以提高后接变压器的工作频率。为了使SG3525产生一个SPWM信号，可在芯片的9脚处加入一个幅度可变的50Hz

22、正弦波（我们这里仅需得到频率固定的50Hz可变电源，若需获得频率也可变的交变电源，则只需在9脚处加入一个幅值与频率均可变的正弦波即可），与5脚处的锯齿波信号进行比较，从而获得SPWM控制信号，改变正弦波的幅值，即改变调制度M（调制度定义为正弦波调制波峰Urm与锯齿波载波峰值Utm之比，即M=Urm/Utm）就可以改变输出电压的幅值，正常M1。考虑到5脚处的锯齿波如图56a所示，锯齿波的顶点UH约为3.3V，谷点UL约为0.9V。为此，正弦波信号必须如图56b所示，即其峰峰值必须在0.9V3.3V范围内变化。正弦波发生电路如图57所示。tUSWUHULU50Hztab图56由图57可知，正弦波发生器由两部分组成，前半部分为RC串并联型正弦波振荡器，振荡频率设定在50Hz，调节电位器RP（即实验挂箱面板上的幅度调节电位器），即可调节正弦波峰峰值，从而调节SPWM信号的脉冲宽度以及逆变电源输出基波电压的大小。正弦波发生器的后半部分为移位电路，将正负对称的正弦波移位到第一象限，并使正弦波的谷点在0.9V之上。四实验设备和仪器1NMCL-16实验挂