电力电子技术试验

实验一 电力晶体管(GTR)驱动电路研究

一．实验目的

1．掌握GTR对基极驱动电路的要求

2．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．连接实验线路组成一个实用驱动电路 2．PWM波形发生器频率与占空比测试

3．光耦合器输入、输出延时时间与电流传输比测试 4．贝克箝位电路性能测试 5．过流保护电路性能测试

三．实验线路

见图5—1

四．实验设备和仪器

1．NMCL-22电力电子实验箱 2．双踪示波器 3．万用表

4．教学实验台主控制屏

五．实验方法

1．检查面板上所有开关是否均置于断开位置 2．PWM波形发生器频率与占空比测试

（1）开关S1、S2打向“通”，将脉冲占空比调节电位器RP顺时针旋到底，用示波器观察1和2点间的PWM波形，即可测量脉冲宽度、幅度与脉冲周期，并计算出频率f与占空比D，填入表5—1。

S2：通 RP：右旋 表5—1 幅度（Vp-p） 宽度（ms） 周期（ms） 频率f（kHz） 占空比D S2：通 RP：左旋 S2：断 RP：右旋 S2：断 RP：左旋 （2）将电位器RP左旋到底，测出f与D，填入表5—1。 （3）将开关S2打向“断”，测出这时的f与D，填入表5—1。 （4）电位器RP顺时针旋到底，测出这时的f与D，填入表5—1 （5）将S2打在“断”位置，然后调节RP，使占空比D=0.2左右。 3．光耦合器特性测试

（1）输入电阻为R1=1.6K?时的开门，关门延时时间测试

a．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”及“6”与“11”，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：6 GTR：11 b．GTR单元的开关S1合向“ ”，用双踪示波器观察输入“1”与“6”及输出“7”与“11”之间波形，记录开门时间ton（含延迟时间td和下降时间tf）以及关门时间toff（含储存时间ts和上升时间tr），填入表5—2。

表5—2 R=1.6k td tf ton ts tr toff （2）输入电阻为R2=150?时的开门，关门延时时间测试

将GTR单元的“3”与“5”断开，并连接“4”与“5”， 调节电位器RP顺时针旋到底（使RP短接），其余同上，记录开门、关门时间，填入表5—3。

表5—3 R=150 td tf ton ts tr toff （3）输入加速电容对开门、关门延时时间影响的测试

断开GTR单元的“4”和“5”，将“2”、“3”与“5”相连，即可测出具有加速电容时的开门、关门时间，填入表5—4。

表5—4 接有加速电容 td tf ton ts tr toff 4．驱动电路输入，输出延时时间测试

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”及“6”与“11”、“8”，即按照以下表格的说明连线。 GTR ：1 GTR：6 GTR：3 GTR：9 PWM：1 PWM：2 GTR：5 GTR：7 GTR：6 GTR：11 GTR：8 用双踪示波器观察GTR单元输入“1”与“6”及驱动电路输出“14”与“11”之间波形，记录驱动电路的输入，输出延时时间。

td=

5．贝克箝位电路性能测试

（1）不加贝克箝位电路时的GTR存贮时间测试。

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”2“、“3”与“5”，“9”与“7”，“14”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 GTR：6 GTR：3 GTR：9 GTR：8 GTR：14 GTR：29 GTR：22 PWM：1 PWM：2 GTR：2 GTR：7 GTR：11 GTR：19 GTR：21 主回路：1 GTR：5 GTR：18 主回路：4 用双踪示波器观察基极驱动信号ub（“19”与“18”之间）及集电极电流ic（“22”与“18”之间）波形，记录存贮时间ts。

ts=

（2）加上贝克箝位电路后的GTR存贮时间测试 在上述条件下，将20与14相连，观察与记录ts的变化。 ts=

6．过流保护性能测试

在实验5接线的基础上接入过流保护电路，即断开“8”与“11”的连接，将“36”与“21”、“37”与“8”相连，开关S3放在“断”位置。

用示波器观察“19”与“18”及“21”与“18”之间波形，将S3合向“通”位置，(即减小比较器的比较电压，以此来模拟采样电阻R8两端电压的增大)，此时过流指示灯亮，并封锁驱动信号。

将S3放到断开位置，按复位按钮，过流指示灯灭，即可继续进行试验。

六．实验报告

1．画出PWM波形，列出PWM波形发生器S2在“通”与“断”位置时的频率f与最大，最小占空比。

2．画出光耦合器在不同输入电阻及带有加速电容时的输入、输出延时时间曲线，探讨能缩短开门、关门延时时间的方法。

3．列出光耦输入、输出电流，并画出电流传输比曲线。

4．列出有与没有贝克箝位电路时的GTR存贮时间ts，并说明使用贝克箝位电路能缩短存贮时间ts的物理原因以及对贝克箝位二极管V1的参数选择要求。

5．试说明过流保护电路的工作原理。 6．实验的收获，体会与改进意见。

七．思考题

1．波形发生器中R1=160Ω，RP=1kΩ，R2=3kΩ，C1=0.022uF，C2=0.22uF，试对所测的f、Dmax、Dmin与理论值作一比较，能否分析一下两者相差的原因？

2．实验中的光耦为TLP521，试对实测的开门、关门延时时间与该器件的典型延时时间作一比较，能否分析一下两者相差的原因。

3．试比较波形发生器输出与驱动电路输出处的脉冲占空比，并分析两者相差的原因，你能否提出一种缩小两者差异的电路方案。

4．根据实测的光耦电流传输比以及尽量短的开关门延时时间，请对C1、R1及R3等参数作出选择。 GTR+5VRPS11C125S1861112VSTC217R13R24910+15VS2R3R413C3R77R5R6+5V141615L12023VD1192918R821322224L225VD236R12R15+-S3S48+35VD326R92730C4R102831C5VD4R1334R1133R1437PWMR1 84S1+5V1R1L1R2SV+RPR276255515313VD1R32S2C1C2R324RP

实验二 电力晶体管(GTR)特性研究

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

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。

三．实验线路

见图5—1

四．实验设备和仪器

1．MCL-07电力电子实验箱中的GTR与PWM波形发生器部分 2．双踪示波器 3．万用表

4．教学实验台主控制屏

五．实验方法

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 ：1 GTR：6 GTR：3 GTR：9 GTR：8 PWM：1 PWM：2 GTR：5 GTR：7 GTR：11 GTR：18 主回路：4 GTR：15 GTR：29 GTR：16 GTR：21 GTR：19 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= us，ts= us，tf= us

（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= us，ts= us，tf= us

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= us，ts= us，tf= us

（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= us，ts= us，tf= us

3．有与没有基极反压时的开关过程比较

（1）没有基极反压时的开关过程测试---与上述2（2）测试方法相同。 （2）有基极反压时的开关过程测试

a．将GTR单元的“18”与“11”断开，并将“18”与“17”以及“12”与“11”相连，其余接线与测试方法同上。

ton= us，ts= us，tf= us

b．将GTR单元的“18”与“17”，“12”与“11”，“14”与“19”断开，将“15”、“16”与“19”、“18”与“11”相连，这时的基极反压系由电容C3两端电压产生，其余接线与测试方法同上。

ton= us，ts= us，tf= us

4．并联缓冲电路性能测试，基极电阻用R6，加贝克箝位电路

(1)、电阻负载（将主回路1与22相连）时，不同并联缓冲电路参数时的性能测试

a．大电阻、小电容时的缓冲特性

将GTR单元的“26”、“27”与“31”相连，“32”与“18”相连，其余接线同上，测量并描绘“21”与“18”及“22”与“18”之间波形(包括GTR导通与关断时的波形，下同)。

b．大电阻、大电容时的缓冲特性

断开GTR单元的“26”、“27”与“31”的相连，将“26”、“27”与“30”相连，测量并描绘“21”与“18”及“22”与“18”之间波形。

c．小电阻大电容时的缓冲特性

断开GTR单元的“26”、“27”与“30”的相连，将“26”、“28”与“30”相连，测试方法同上。

d．小电阻大电容时的缓冲特性

断开GTR单元的“26”、“28”与“30”的相连，将“26”、“28”与“31”相连，测试方法同上。

(2)、电阻、电感负载（主回路2与22相连）时，不同并联缓冲电路参数时的性能测试

a．无并联缓冲时测量“21”与“18”及“22”与“18”之间波形。

B、加上并联缓冲，即将“26”、“28”与“30”相连，测量“21”与“18”及“22”与“18” 之间波形。

5．串联缓冲电路性能

（1）较大串联电感时的缓冲特性

将主回路的“1”与GTR单元的“23”相连，“25”与“22”相连，其余接线同上，测量“21”与“18”及“22”与“18”之间波形。

（2）较小串联电感时的缓冲特性

将GTR单元的“25”与“22”断开，将“24”与“22”相连，其余接线与测试方法同上。

6．二极管的反向恢复特性测试 （1）快恢复二极管的恢复特性测试

将主回路的“1”与GTR单元的“22”相连，“26”与“34”，“33” 、“27”与“30”相连，其余接线同上 。观察电阻R11两端的波形。

测试条件：调节PWM波形发生器的RP，脉冲的占空比足够大，使GTR的关断时间比集-射极电压UCe(即UC4)上升到稳态值的时间短，这样，在GTR关断过程中通过二极管对C4的充电电流还未结束时，GTR又一次导通，这时即可在采样电阻R11(为1Ω)两端观察到反向恢复过程。

（2）普通二极管的恢复特性测试

断开GTR单元的“26”、“34”的相连，将“35”与“22” ，“33”、“27” 与“30”相连,其余接线与测试方法同上。

六、实验报告

1．绘出电阻负载与电阻、电感负载时的GTR开关波形，并在图上标出ton、tS与tf，并

分析不同负载时开关波形的差异。

2．绘出不同基极电流时的开关波形并在图上标出ton、tS与tf，并分析理想基极电流的形状，探讨获得理想基极电流形的方法。

3．绘出有与没有基极反压时的开关波形，分析及其对关断过程的影响。试分析实验中所采用的两种基极反压方案的优缺点，你能否设计另一种获得反压的方案。

3．绘出不同负载，不同并联缓冲电路参数时的开关波形，对不同波形的形状从理论上加以说明。

4．试分析串并联缓冲电路对GTR开关损耗的影响。

5．绘出二极管的反向恢复特性曲线，并估算出反向恢复峰值电流值(电源电压为15V，R11=1Ω)，试说明二极管V2、V3应选用具有何种恢复特性的二极管。

6．实验的收获，体会与改进意见。

七．思考题

1．试说明如何正确选用并联缓冲电阻与电容，当GTR的最小导通时间已知为ton(min)

时，你能否列出选择R、C应满足的条件？

2．GTR的开关特性是指开通与关断过程中集电极电流与基极电流之间的相互变化关系，但因基极电流与集电极电流之间无共地点，因此无法用双踪示波器同时测试。实验中用基极电压来代替基极电流，试分析这种测试方法的优缺点，你能否设计出更好的测试方法?

实验三 功率场效应晶体管(MOSFET)特性

与驱动电路研究

一．实验目的：

1．熟悉MOSFET主要参数的测量方法 2．掌握MOSEET对驱动电路的要求

3．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．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

2．驱动电路的输入,输出延时时间测试.

3．电阻与电阻、电感性质载时，MOSFET开关特性测试 4．有与没有反偏压时的开关过程比较 5．栅-源漏电流测试

三．实验设备和仪器

1．MCL-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

四、实验线路

见图5—2

五．实验方法

1．MOSFET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MOSFET+5VS1R21R13VD14R49VT215VD2265812R37+-1418R9C11721+S210R5VT1111316R6R78+15V24202527VD3R1023C226+1922PWMR1 84S1+5V1R1L1R2SV+RPR276555152313VD1R32S2C1C2R324RP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6—7组ID、Vgs，其中ID=1mA必测，填入表5—6。

表5—6 1 ID（mA） Vgs（V） （2）跨导gFS测试

双极型晶体管（GTR）通常用hFE（β）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gFS=△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5—6的测量数值，计算gFS。 （3）转移特性ID＝f（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4—6的测量数值，绘出转移特性。 (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5—7。

表5—7 1 ID（mA） VDS（V） (5)ID＝f（VSD）测试

ID＝f（VSD）系指VGS＝0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。

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。

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。

2．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“4”）及输出波形（“5”与“9”之间），记录开门时间ton、关门时间toff。

ton= ，toff=

3．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。

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。

ton= ，ts=

（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。

（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。

7．不同栅极电阻时的开关特性测试 电阻、电感负载，有并联缓冲电路

（1）栅极电阻采用R6=200Ω时的开关特性。 （2）栅极电阻采用R7=470Ω时的开关特性。 （3）栅极电阻采用R8=1.2kΩ时的开关特性。 8．栅源极电容充放电电流测试

电阻负载，栅极电阻采用R6，用示波器观察R6两端波形并记录该波形的正负幅值。 9．消除高频振荡试验

当采用电阻、电感负载，无并联缓冲，栅极电阻为R6时，可能会产生较严重的高频振荡，通常可用增大栅极电阻的方法消除，当出现高频振荡时，可将栅极电阻用较大阻值的R8。

六．实验报告

1．根据所测数据，列出MOSFET主要参数的表格与曲线。 2．列出快速光耦6N137与驱动电路的延时时间与波形。

3．绘出电阻负载，电阻、电感负载，有与没有并联缓冲时的开关波形，并在图上标出ton、toff。

4．绘出有与没有栅极反压时的开关波形，并分析其对关断过程的影响。

5．绘出不同栅极电阻时的开关波形，分析栅极电阻大小对开关过程影响的物理原因。 6．绘出栅源极电容充放电电流波形，试估算出充放电电流的峰值。 7．消除高频振荡的措施与效果。 8．实验的收获、体会与改进意见。

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。

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。

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？

实验四 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究

一．实验目的

1．熟悉IGBT主要参数与开关特性的测试方法。

2．掌握混合集成驱动电路EXB840的工作原理与调试方法。

二．实验内容

1．IGBT主要参数测试。 2．EXB840性能测试。 3．IGBT开关特性测试。 4．过流保护性能测试。

三．实验设备和仪器

1．MCL-07电力电子实验箱中的IGBT与PWM波形发生器部分。 2．双踪示波器。 3．毫安表 4．电压表 5．电流表

6．MCL系列教学实验台主控制屏

四．实验线路

见图5—3

五．实验方法

1．IGBT主要参数测试 （1）开启阀值电压VGS（th）测试

在主回路的“1”端与IGBT的“18”端之间串入毫安表，将主回路的“3”与“4”端分别与IGBT管的“14”与“17”端相连，再在“14”与“17”端间接入电压表，并将主回路电位器RP左旋到底。

将电位器RP逐渐向右旋转，边旋转边监视毫安表，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6—7组ID、Vgs，其中ID=1mA必测，填入表5—8。

表5—8 1 ID（mA） Vgs（V） （2）跨导gFS测试

在主回路的“2”端与IGBT的“18”端串入安培表，将RP左旋到底，其余接线同上。 将RP逐渐向右旋转，读取ID与对应的VGS值，测量5-6组数据，填入表5—9。 ID（mA） Vgs（V） 表5—9 1 （3）导通电阻RDS测试

将电压表接入“18”与“17”两端，其余同上，从小到大改变VGS，读取ID与对应的漏源电压VDS，测量5-6组数据，填入表5—10。 表5—10 1 ID（mA） Vgs（V） 2．EXB840性能测试 （1）输入输出延时时间测试

IGBT部分的“1”与“13”分别与PWM波形发生部分的“1”与“2”相连，再将IGBT部分的“10”与“13”、与门输入“2”与“1”相连，用示波器观察输入“1”与“13”及EXB840输出“12”与“13”之间波形，记录开通与关断延时时间。

ton= ，toff=

（2）保护输出部分光耦延时时间测试

将IGBT部分“10”与“13”的连线断开，并将“6”与“7”相连。用示波器观察“8”与“13”及“4”与“13” 之间波形，记录延时时间。

（3）过流慢速关断时间测试

接线同上，用示波器观察“1”与“13”及“12”与“13”之间波形，记录慢速关断时间。

（4）关断时的负栅压测试

断开“10”与“13”的相连，其余接线同上，用示波器观察“12”与“17”之间波形，记录关断时的负栅压值。

（5）过流阀值电压测试

断开“10”与“13”，“2”与“1”的相连，分别连接“2”与“3”，“4”与“5”，“6”与“7”，将主回路的“3”与“4”分别和“10”与“17”相连，即按照以下表格的说明连线。

IGBT：17 IGBT：10 主回路：4 主回路：3 IGBT：4 IGBT：5 IGBT：6 IGBT：7 IGBT：2 IGBT：3 IGBT：12 IGBT：14 RP左旋到底，用示波器观察“12”与“17”之间波形，将RP逐渐向右旋转，边旋转边监视波形，一旦该波形消失时即停止旋转，测出主回路“3”与“4”之间电压值，该值即为过流保护阀值电压值。

（6）4端外接电容器C1功能测试——供教师研究用

EXB840使用手册中说明该电容器的作用是防止过流保护电路误动作（绝大部分场合不需要电容器）。

a．C1不接，测量“8”与“13”之间波形。

b．“9”与“13”相连时，测量“8”与“13” 之间波形，并与上述波形相比较。 3．开关特性测试

（1）电阻负载时开关特性测试

将“1”与“13”分别与波形发生器“1”与“2”相连，“4”与“5”，“6”与“7”，‘2“与”3“，“12”与“14”，“10”与“18”， “17”与“16”相连，主回路的“1”与“4”分别和IGBT部分的“18”与“15”相连。即按照以下表格的说明连线。 IGBT：1 IGBT：13 IGBT：4 IGBT：6 IGBT：2 IGBT：12 PWM：1 PWM：2 IGBT：5 IGBT：7 IGBT：3 IGBT：14 IGBT：18 IGBT：17 IGBT：10 IGBT：15 主回路：4 主回路：1 IGBT：16 IGBT：18 用示波器分别观察“8”与“15”及“14”与“15”的波形，记录开通延迟时间。 （2）电阻，电感负载时开关特性测试

将主回路“1”与“18”的连线断开，再将主回路“2”与“18”相连，用示波器分别观察“8”与“15”及“16”与“15”的波形，记录开通延迟时间。。

（3）不同栅极电阻时开关特性测试

将“12”与“14”的连线断开，再将“11”与“14”相连，栅极电阻从R5＝3kΩ改为R4=27Ω，其余接线与测试方法同上。

4．并联缓冲电路作用测试

（1）电阻负载，有与没有缓冲电路时观察“14”与“17”及“18”与“17”之间波形。

（2）电阻，电感负载，有与没有缓冲电路时，观察波形同上。

IGBT+5VS1R31524C19101112S2+18V1819R11R271466&4VD1EXB8403+R4R51423VD2R7+5V&59135117C2&PWMR1 84S1+5V1R1L1R2RPR276555153132S2C1C2R3245．过流保护性能测试，栅计电阻用R4 在上述接线基础上，将“4”与“5”，“6”与“7”相连，观察“14”与“17”之间波形，然后将“10”与“18”之间连线断开，并观察驱动波形是否消失，过流指示灯是否发亮，待故障消除后，揿复位按钮即可继续进行试验。 六．实验报告

1．根据所测数据，绘出IGBT的主要参数的表格与曲线 。

2．绘出输入、输出及对光耦延时以及慢速关断等波形，并标出延时与慢速关断时间。 3．绘出所测的负栅压值与过流阀值电压值。

4．绘出电阻负载，电阻电感负载以及不同栅极电阻时的开关波形，并在图上标出tON 与tOFF。

5．绘出电阻负载与电阻、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。

6．过流保护性能测试结果，并对该过流保护电路作出评价。 7．实验的收获、体会与改进意见。

+2+2015R616SV+VD1R3RP七．思考题

1．试对由EXB840构成的驱动电路的优缺点作出评价。

2．在选用二极管V1时，对其参数有何要求？其正向压降大小对IGBT的过流保护功能有何影响？

3．通过MOSFET与IGBT器件的实验，请你对两者在驱动电路的要求，开关特性与开关频率，有、无反并联寄生二极管，电流、电压容量以及使用中的注意事项等方面作一分析比较。

实验八 采用自关断器件的单相交流调压电路研究

一．实验目的

1．掌握采用自关断器件的单相交流调压电路的工作原理、特点、波形分析与使用场合。 2．熟悉PWM专用集成电路SG3525的组成、功能、工作原理与使用方法。

二．实验内容

1．PWM专用集成电路SG3525性能测试 2．控制电路相序与驱动波形测试 3．带与不带电感时负载与mos管两端电压波形测试 4．在不同占空比条件下，负载端电压、负载端谐波与输入电流的位移因数测试。 0wtU(t)(a)三．实验系统组成及工作原理 U(t)随着自关断器件的迅速发展，采用晶闸管移相控制的交流调压设备，已逐渐被采用自关断器件（GTR、MOSFET、IGBT等）的交流斩波调压所代替，与移相控制相比，斩波调压具有下列优点： （1）谐波幅值小，且最低次谐波频率高，故可采用小容量滤波元件； （2）功率因数高，经滤波后，功率因数接近于1。 （3）对其他用电设备的干扰小。 因此，斩波调压是一种很有发展0wt(b)U(t)0(c)wt图5-9前途的调压方法，可用于马达调速、调温、调光等设备。本实验系统以调光为例，进行斩波调压研究。 斩波调压的主回路由MOSFET及其反并联的二极管组成双向全控电子斩波开关。当MOS管分别由脉宽调制信号控制其通断时，则负载电阻RL上的电压波形如图5—9b所示（输

出端不带滤波环节时），显然，负载上的电压有效值随脉宽信号的占空比而变，当输出端带有滤波环节时的负载端电压波形如图5—9c所示。

脉宽调制信号由专用集成芯片SG3525产生，有关SG3525的内部结构、功能、工作原理与使用方法等可参阅双闭环可逆直流脉宽调速系统实验。

控制系统中由变压器T、比较器和或非门等组成同步控制电路以确保交流电源的2端为正时，MOS管VT1导通；而当交流电源的1端为正时，MOS管VT2导通。

四．实验设备和仪器

1．MCL-22实验挂箱 2．万用表 3．双踪示波器

五．实验方法

1．SG3525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。测量“2”端。 2控制电路相序与驱动波形测试

将“UPW”的2端与控制电路的4端相连。将电位器RP左旋到底，按下开关s1、s6、s7，用双踪示波器观察并记录下列各点波形：

（1）控制电路的1、2与地端间波形，应仔细测量该波形是否对称互补； （2）控制电路的3、5与地端间波形； （3）主电路的4与5及6与5端间波形； 3．不带电感时负载与mos管两端电压波形测试

将主电路的3与4短接，将upw的电位器Rp右旋到大致中间的位置，测试并记录负与mos管两端电压波形

4带电感时负载与mos管两端电压波形测试

将主电路的3与4不短接，将upw的电位器rp右旋到大致中间的位置，测试并记录负载与mos管两端电压波形

5不同占空比D时的负载端电压测试

实验中，将电位器rp从左至右旋转4-5个位置，分别观察并记录SG3525的输出2端脉冲的占空比、负载端电压大小与波形

6不同载波频率时的滤波效果比较

使电感接入电路，在s2、s3、s4合上与断开多种情况下，观察并记录负载两端波形。

7不同占空比d时的负载端谐波大小的测试 分别观察并记录Rp左旋与右旋到底时的负载端波形，从而判断出占空比d大小对负载端谐波大小的影响。 8输入电流的位移因数测试

（1）将主电路的3、4两端用导线短接，即不接入电感 （2）在不同占空比条件下，用双踪示波器同时观察并1S72VD1VT1678图5-105VD2VT2493记录2与1端和2与6端间波形。

五．思考题

1 当主电路接纯电阻负载（即将电感短路）时，可见负载电压波形存在死区，其产生的原因是什么？

2 当主电路接电感性负载时，在电压的过零点会出现一尖峰脉冲，且其幅值随占空比的增大而增大。试分析其产生的原因以及抑制的方法。

实验十 单相交直交变频电路的性能研究

一．实验目的

熟悉单相交直交变频电路的组成，重点熟悉其中的单相桥式PWM逆变电路中元器件的作用，工作原理，对单相交直交变频电路在电阻负载、电阻电感负载时的工作情况及其波形作全面分析，并研究工作频率对电路工作波形的影响。

二．实验内容

1．测量SPWM波形产生过程中的各点波形。 2．观察变频电路输出在不同的负载下的波形。

三．实验设备及仪器

1．电力电子及电气传动主控制屏。 2．MCL-16组件。

3．电阻、电感元件(MEL-03、700mH电感)。 4．双踪示波器。 5．万用表。

四．实验原理 1G1E1VT1G3E3VT3L134VT22G2E2G4VT4C5图5—13 单相交直交变频电路单相交直交变频电路的主电路如图5—13所示。

本实验中主电路中间直流电压ud由交流电整流而得，而逆变部分别采用单相桥式PWM

逆变电路。逆变电路中功率器件采用600V8A的IGBT单管（含反向二极管，型号为ITH08C06），IGBT的驱动电路采用美国国际整流器公司生产的大规模MOSFET和IGBT专用驱动集成电路1R2110，控制电路如图5—12所示，以单片集成函数发生器ICL8038为核心组成，生成两路PWM信号，分别用于控制VT1、VT4和VT2、VT3两对IGBT。ICL8038仅需很小的外部元件就可以正常工作，用于发生正弦波、三角波、方波等，频率范围0.001到500kHz。

五．实验方法

1．SPWM波形的观察 G1隔135离及脉冲 驱动E1G2E2G3E3G4正弦波42延迟6隔离及驱正弦波频率调节动图5—14 SPWM波形发生（1）观察正弦波发生电路输出的正弦信号Ur波形（“2”端与“地”端），改变正弦波频率调节电位器，测试其频率可调范围。 （2）观察三角形载波Uc的波形（“1”端与“地”端），测出其频率，并观察Uc和U2的对应关系： （3）观察经过三角波和正弦波比较后得到的SPWM波形（“3”端与“地”端），并比较“3”端和“4”端的相位关系。

（4）观察对VT1、VT2进行控制的SPWM信号（“5”端与“地”端）和对VT3、VT4进行控制的SPWM信号(“6”端与“地”端)，仔细观察“5”端信号和“6”端防号之间的互锁延迟时间。

2．驱动信号观察

在主电路不接通电源情况下，S3扭子开关打向“OFF”，分别将“SPWM波形发生”的G1、E1、G2、E2、G3、E3、G4和“单相交直交变频电路”的对应端相连。经检查接线正确后，S3扭子开关打向“ON”，对比VTI和VT2的驱动信号，VT3和VT4的驱动信号，仔

细观察同一相上、下两管驱动信号的波形，幅值以及互锁延迟时间。

3．S3扭子开关打向“OFF”，分别将“主电源2”的输出端“1”和“单相交直交变频电路”的“1”端相连， “主电源2”的输出端“2”和“单相交直交变频电路”的“2”端相连，将“单相交直交变频电路”的“4”、“5”端分别串联MEL-03电阻箱 （将一组900Ω/0.41A并联，然后顺时针旋转调至阻值最大约450Ω） 和直流安培表（将量程切换到2A挡）。将经检查无误后，S3扭子开关打向“ON”，合上主电源（调节负载电阻阻值使输出负载电压波形达到最佳值，电阻负载阻值在90Ω~360Ω时波形最好）。

4．当负载为电阻时，观察负载电压的波形，记录其波形、幅值、频率。在正弦波Ur的频率可调范围内，改变Ur的频率多组，记录相应的负载电压、波形、幅值和频率。

5．当负载为电阻电感时，观察负载电压和负载电流的波形。

六．注意事项

1．“输出端”不允许开路，同时最大电流不允许超过“1A”。

2．注意电源要使用“主电源2”的“15V”电压其他同“直流斩波”电路相同。

七．实验报告

1．绘制完整的实验电路原理图。

2．电阻负载时，列出数据和波形，并进行讨论分析。 3．电阻电感负载时，列出数据和波形，并进行讨论及分析。 4．分析说明实验电路中的PWM控制是采用同步调制还是异步调制。 5．为使输出波形尽可能的接近正弦波，可以采取什么措施。

6．分析正弦波与三角波之间不同的载波比情况下的负载波形，理解改变载波比对输出功率管和输出波形的影响。

实验十四 直流斩波电路(设计性)的性能研究

一．实验目的

熟悉六种斩波电路（buck chopper 、boost chopper 、buck-boost chopper、 cuk chopper、 sepic chopper、 zeta chopper)的工作原理，掌握这六种斩波电路的工作状态及波形情况。

二．实验内容

1 SG3525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 2 MCL-22组件 3 示波器 4 万用表

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.

1. SG3525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。测量“2”端。

2．buck 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 (4)改变脉冲信号周期。

在S2、S3、S4合上与断开多种情况下,重复步骤(2)、(3) (5)改变电阻、电感参数。

可将几个电感串联或并联以达到改变电感值的目的，也可改变电阻，观察并记录改变电路参数后的负载电压波形与电流波形，并分析电路工作状态。

3．boost chopper

（1）照图接成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。

4．buck-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

5．cuk chopper

（1）照图接成cuk 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。

6．sepic chopper

（1）照图接成sepic 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 。

7．zeta chopper

（1）照图接成zeta 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。

实验十五 单相交直交变频电路（调速）

一．实验目的

熟悉单相交直交变频电路的组成，重点熟悉其中的单相桥式PWM逆变电路中元器件的作用，工作原理，对单相交直交变频电路驱动电机时的工作情况及其波形作全面分析，并研究正弦波的频率和幅值及三角波载波频率与电机机械特性的关系

二．实验内容

1．测量SPWM波形产生过程中的各点波形 2．观察变频电路驱动电机时的输出波形 3．观察电机工作情况

三．实验设备和仪器

1．电力电子及电气传动主控制屏 2．MCL-22组件 3．MEL-03组件 3．MEL-11挂箱

4．电机导轨及测速发电机、直流发电机M01（或电机导轨及测功机、MEL13组件） 5．电容运转电机 6．双踪示波器 7．万用表

四．实验方法

1．SPWM波形的观察

按下左下方的开关S5

(1)观察\波形发生\电路输出的正弦信号Ur波形(2端与地端)，改变正弦波频率调节电位器，测试其频率可调范围。

(2)观察三角形载波Uc的波形(1端与地端)，测出其频率,并观察Uc和Ur的对应关系。 (3)观察经过三角波和正弦波比较后得到的SPWM(3端与地端)。

2．逻辑延时时间的测试

将\波形发生\电路的3端与\的1端相连，用双踪示波器同时观察\的

1和2端波形,并记录延时时间Td.。

3．同一桥臂上下管子驱动信号死区时间测试 分别将“隔离驱动”的G和主回路的G'相连，用双踪示波器分别同时测量G1、E1和 G2、E2， G3、E3和 G4、E2的死区时间。 1U3G1G3VT1V+E1G2VD1VD3VT3E3G456LDC7WVT2VD2E2849VD4VT42电流取样图5-194．不同负载时波形的观察 按图5-19接线。先断开主电源和开关S1。将三相调压器的U、V、W接主电路的相应处，，将主电路的1、3端相连， （1）当负载为电阻时（6、7端接一电阻），观察负载电压的波形，记录其波形、幅值、频率。在正弦波Ur的频率可调范围内，改变Ur的频率多组，记录相应的负载电压、波形、幅值和频率。 （2）当负载为电阻电感时（6、8端相联，9端和7端接一电阻），观察负载电压和负载电流的波形。

（3）电机调速（6、7端与电机电枢的主绕组两端相连）时，按下左下角的开关S1，给电机加上驱动信号，改变正弦波频率调节电位器,观察电机转速的变化，并记录几组电机的转速与正弦波频率的数据。

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