电力电子技术实验报告

1、 电力电子技术实验报告 姓名： 何绍金 班级：自动化1202 学号：201203870408 指导教师: 陈国定 2014年11月20日 实验一 电力电子器件（GTR）及其驱动电路一实验目的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。7MOSF

2、ET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-源漏电流测试三实验线路电力晶体管(GTR)特性研究：4-1 功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路研究 见图21，22。图23图24四实验设备和仪器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实验方

3、法 （一）电力晶体管(GTR)特性研究 1不同负载时GTR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 ：1PWM：1GTR：6PWM：2GTR：3GTR：5 GTR：9GTR：7GTR：8GTR：11 GTR：18 主回路：4GTR：15GTR：1

4、6GTR：19GTR：29GTR：21GTR：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= 1.8 us，ts= 1.8 us，tf= 2.0 us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= 2.4 us，ts= 0.6 us，tf= 1.0 us

5、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= 1.8 us，ts= 1.0 us，tf= 1.2 us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

6、）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= 2.2 us，ts= 0.6 us，tf= 1.4 us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）功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路研究1MOSFET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

7、”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26ID（mA）0.36 0.580.8411.412.009.13Vgs（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

8、。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27ID（mA）0.36 0.580.8411.412.004.406.198.4210.5115.5240.72（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

9、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28ID（mA）0.10.50.712.05.010.0VDS（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=0.003A VSD=0.13Vb将主

10、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=0.565A VSD=0.769Vc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=0.653A VSD=0.781V2快速光耦6N137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“

11、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 = 15ns3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电阻负载时MOSFET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

12、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 ，

13、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

14、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M

15、OSFET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。7、 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

16、。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 晶体管触发电路及单相桥式全控整流电路1. 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。2. 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

17、相桥式全控整流电路：3. 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。4. 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5. 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

18、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“”输出端接到MCL-36的上。 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=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，比较电压与的对应关系，如下表所示。 V1 V2 V3 V4 V5 V6幅值(v)

19、 11.9 7.00 13.5 0.95 9.8 24.2宽度（ms） 20.6 20.6 20.6 20.6 20.6 20.6整理得各点波形图为 3.调节脉冲移相范围“”输出电压调至0V，即将控制电压（=）调至零，用示波器观察电压（即“2”孔）及的波形，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，观察脉冲的移动情况，要求=0时，=180°，=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）。用双踪示波器观察和的波形，调节

20、电位器RP3，使和间隔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

21、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=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=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)。再调节，求取在不同角(30°、60°、90°）时整流电路的输出电压=f（t），晶闸管的端电压=f（t）的波形，并记录相应时的、和交流输入电压值。若输出电压的波形不对称，可分别调整锯齿波触发电路中RP1，RP3电位器。 30&