電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 姓名： 何紹金 班級(jí)：自動(dòng)化1202 學(xué)號(hào)：201203870408 指導(dǎo)教師: 陳國(guó)定 2014年11月20日 實(shí)驗(yàn)一 電力電子器件（GTR）及其驅(qū)動(dòng)電路一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉(GTR)的開關(guān)特性與二極管的反向恢復(fù)特性及其測(cè)試方法2掌握GTR緩沖電路的工作原理與參數(shù)設(shè)計(jì)要求3熟悉MOSFET主要參數(shù)的測(cè)量方法4掌握MOSEET對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求5掌握一個(gè)實(shí)用驅(qū)動(dòng)電路的工作原理與調(diào)試方法二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1不同負(fù)載時(shí)的GTR開關(guān)特性測(cè)試。2不同基極電流時(shí)的開關(guān)特性測(cè)試。3有與沒(méi)有基極反壓時(shí)的開關(guān)過(guò)程比較。4并聯(lián)沖電路性能測(cè)試。5串聯(lián)沖電路性能測(cè)試。6二極管的反向恢復(fù)特性測(cè)試。7MOSF

2、ET主要參數(shù)：開啟閥值電壓VGS(th),跨導(dǎo)gFS,導(dǎo)通電阻Rds 輸出特性ID=f（Vsd）等的測(cè)試8驅(qū)動(dòng)電路的輸入,輸出延時(shí)時(shí)間測(cè)試.9電阻與電阻、電感性質(zhì)載時(shí)，MOSFET開關(guān)特性測(cè)試10有與沒(méi)有反偏壓時(shí)的開關(guān)過(guò)程比較11柵-源漏電流測(cè)試三實(shí)驗(yàn)線路電力晶體管(GTR)特性研究：4-1 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)特性與驅(qū)動(dòng)電路研究 見圖21，22。圖23圖24四實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1MCL-07電力電子實(shí)驗(yàn)箱中的MOSFET與PWM波形發(fā)生器部分2雙蹤示波器3毫安表4電流表5電壓表6MCL-07電力電子實(shí)驗(yàn)箱中的GTR與PWM波形發(fā)生器部分7雙蹤示波器8萬(wàn)用表9教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控制屏五實(shí)驗(yàn)方

3、法 （一）電力晶體管(GTR)特性研究 1不同負(fù)載時(shí)GTR開關(guān)特性測(cè)試（1）電阻負(fù)載時(shí)的開關(guān)特性測(cè)試GTR單元的開關(guān)S1合向“ ”， 將GTR單元的輸入“1”與“6”分別與PWM波形發(fā)生器的輸出“1”與“2”相連，再分別連接GTR單元的 “3”與“5”，“9”與“7”，“15”、“16”與“19”，“29”與“21”，以及GTR單元的“8”、“11”、“18”與主回路的“4”， GTR單元的“22”與主回路的“1”，即按照以下表格的說(shuō)明連線。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用示波器觀察，基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)ib（“19”與“18”之間）及集電極電流ic（“21”與“18”之間）波形，記錄開通時(shí)間ton，存貯時(shí)間ts、下降時(shí)間tf。ton= 1.8 us，ts= 1.8 us，tf= 2.0 us示波器波形如圖1所示：圖1 電阻負(fù)載時(shí)GTR開關(guān)波形（依次為ton、tS與tf相應(yīng)波形）（2）電阻、電感性負(fù)載時(shí)的開關(guān)特性測(cè)試 除了將主回器部分由電阻負(fù)載改為電阻、電感性負(fù)載以外（即將“1”與“22”斷開而將“2”與“22”相連)，其余接線與測(cè)試方法同上。ton= 2.4 us，ts= 0.6 us，tf= 1.0 us

5、示波器波形如圖2所示：圖2 電阻、電感負(fù)載時(shí)GTR開關(guān)波形（依次為ton、tS與tf相應(yīng)波形）2不同基極電流時(shí)的開關(guān)特性測(cè)試（1）基極電流較小時(shí)的開關(guān)過(guò)程 斷開GTR單元“16”與“19”的連接，將基極回路的“15”與“19”相連，主回路的“1”與GTR單元的“22”相連，其余接線同上，測(cè)量并記錄基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)ib（“19”與“18”之間）及集電極電流ic（“21”與“18”之間）波形，記錄開通時(shí)間ton，存貯時(shí)間ts、下降時(shí)間tf。ton= 1.8 us，ts= 1.0 us，tf= 1.2 us示波器波形如圖3所示：圖3 基極電流較小時(shí)GTR開關(guān)波形（依次為ton、tS與tf相應(yīng)波形） （2

6、）基極電流較大時(shí)的開關(guān)過(guò)程將GTR單元的“15”與“19”的連線斷開，再將“14”與“19”相連，其余接線與測(cè)試方法同上。ton= 2.2 us，ts= 0.6 us，tf= 1.4 us示波器波形如圖4所示：圖4 基極電流較大時(shí)GTR開關(guān)波形（依次為ton、tS與tf相應(yīng)波形） （二）功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)特性與驅(qū)動(dòng)電路研究1MOSFET主要參數(shù)測(cè)試（1）開啟閥值電壓VGS(th)測(cè)試開啟閥值電壓簡(jiǎn)稱開啟電壓，是指器件流過(guò)一定量的漏極電流時(shí)（通常取漏極電流ID=1mA)的最小柵源電壓。在主回路的“1”端與MOS 管的“25”端之間串入毫安表，測(cè)量漏極電流ID，將主回路的“3”與“4

7、”端分別與MOS管的“24”與“23”相連，再在“24”與“23”端間接入電壓表, 測(cè)量MOS管的柵源電壓Vgs，并將主回路電位器RP左旋到底，使Vgs=0。將電位器RP逐漸向右旋轉(zhuǎn)，邊旋轉(zhuǎn)邊監(jiān)視毫安表的讀數(shù)，當(dāng)漏極電流ID=1mA時(shí)的柵源電壓值即為開啟閥值電壓VGS（th）。讀取67組ID、Vgs，其中ID=1mA必測(cè)，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）跨導(dǎo)gFS測(cè)試雙極型晶體管（GTR）通常用hFE（）表示其增益，功率MOSFET器件以跨導(dǎo)gFS表示其增益

8、?？鐚?dǎo)的定義為漏極電流的小變化與相應(yīng)的柵源電壓小變化量之比，即=ID/VGS。典型的跨導(dǎo)額定值是在1/2額定漏極電流和VDS=15V下測(cè)得，受條件限制，實(shí)驗(yàn)中只能測(cè)到1/5額定漏極電流值。根據(jù)表26的測(cè)量數(shù)值，計(jì)算。表27ID（mA）0.36 0.580.8411.412.004.406.198.4210.5115.5240.72（3）轉(zhuǎn)移特性IDf（VGS）柵源電壓Vgs與漏極電流ID的關(guān)系曲線稱為轉(zhuǎn)移特性。根據(jù)表26的測(cè)量數(shù)值，繪出轉(zhuǎn)移特性。如圖5。圖5 (4)導(dǎo)通電阻RDS測(cè)試導(dǎo)通電阻定義為RDS=VDS/ID將電壓表接至MOS 管的“25”與“23”兩端，測(cè)量UDS，其余接線同上。改變

9、VGS 從小到大讀取ID與對(duì)應(yīng)的漏源電壓 VDS，測(cè)量5-6組數(shù)值，填入表28。表28ID（mA）0.10.50.712.05.010.0VDS（V）15.1615.1515.1415.1415.1015.0114.86如圖6。圖6。(5)IDf（VSD）測(cè)試IDf（VSD）系指VGS0時(shí)的VDS特性，它是指通過(guò)額定電流時(shí)，并聯(lián)寄生二極管的正向壓降。a在主回路的“3”端與MOS管的“23” 端之間串入安培表，主回路的“4”端與MOS管的“25”端相連，在MOS管的“23”與“25”之間接入電壓表，將RP右旋轉(zhuǎn)到底，讀取一組ID與VSD的值。由實(shí)驗(yàn)得：ID=0.003A VSD=0.13Vb將主

10、回路的“3”端與MOS管的“23”端斷開，在主回路“1”端與MOS管的“23”端之間串入安培表，其余接線與測(cè)試方法同上，讀取另一組ID與VSD的值。由實(shí)驗(yàn)得：ID=0.565A VSD=0.769Vc將“1”端與“23”端斷開，在在主回路“2”端與“23”端之間串入安培表，其余接線與測(cè)試方法同上，讀取第三組ID與VSD的值。由實(shí)驗(yàn)得：ID=0.653A VSD=0.781V2快速光耦6N137輸入、輸出延時(shí)時(shí)間的測(cè)試將MOSFET單元的輸入“1”與“4”分別與PWM波形發(fā)生器的輸出“1”與“2”相連，再將MOSFET單元的“2”與“3”、“9”與“4”相連，用雙蹤示波器觀察輸入波形（“1”與“

11、4”）及輸出波形（“5”與“9”之間），記錄開門時(shí)間ton、關(guān)門時(shí)間toff。由實(shí)驗(yàn)得ton = 20ns ，toff = 15ns3驅(qū)動(dòng)電路的輸入、輸出延時(shí)時(shí)間測(cè)試在上述接線基礎(chǔ)上，再將“5”與“8”、“6”與“7”、“10”、“11”與“12”、“13”、“14”與“16”相連，用示波器觀察輸入“1”與“4”及驅(qū)動(dòng)電路輸出“18”與“9”之間波形，記錄延時(shí)時(shí)間toff。由實(shí)驗(yàn)得toff = 8ns 4電阻負(fù)載時(shí)MOSFET開關(guān)特性測(cè)試（1）無(wú)并聯(lián)緩沖時(shí)的開關(guān)特性測(cè)試在上述接線基礎(chǔ)上，將MOSFET單元的“9”與“4”連線斷開，再將“20”與“24”、“22”與“23”、“21”與“9”以及

12、主回路的“1”與“4”分別和MOSFET單元的“25”與“21”相連。用示波器觀察“22”與“21”以及“24”與“21”之間波形（也可觀察“22”與“21”及“25”與“21”之間的波形），記錄開通時(shí)間ton與存儲(chǔ)時(shí)間ts。由實(shí)驗(yàn)得ton= 0.1us ，ts= 0.08us （2）有并聯(lián)緩沖時(shí)的開關(guān)特性測(cè)試在上述接線基礎(chǔ)上，再將“25”與“27”、“21”與“26”相連，測(cè)試方法同上。5電阻、電感負(fù)載時(shí)的開關(guān)特性測(cè)試（1）有并聯(lián)緩沖時(shí)的開關(guān)特性測(cè)試將主回路“1”與MOSFET單元的“25”斷開，將主回路的“2”與MOSFET單元的“25”相連，測(cè)試方法同上。由實(shí)驗(yàn)得ton= 0.4us ，

13、ts= 0.6us （2）無(wú)并聯(lián)緩沖時(shí)的開關(guān)特性測(cè)試將并聯(lián)緩沖電路斷開，測(cè)試方法同上。6有與沒(méi)有柵極反壓時(shí)的開關(guān)過(guò)程比較（1）無(wú)反壓時(shí)的開關(guān)過(guò)程上述所測(cè)的即為無(wú)反壓時(shí)的開關(guān)過(guò)程。（2）有反壓時(shí)的開關(guān)過(guò)程將反壓環(huán)節(jié)接入試驗(yàn)電路，即斷開MOSFET單元的“9”與“21”的相連，連接“9”與“15”，“17”與“21”，其余接線不變，測(cè)試方法同上，并與無(wú)反壓時(shí)的開關(guān)過(guò)程相比較。由實(shí)驗(yàn)得ton= 3us ，ts= 1.7us 六、思考題1增大柵極電阻可消除高頻振蕩，是否柵極電阻越大越好，為什么？請(qǐng)你分析一下，增大柵極電阻能消除高頻振蕩的原因。答：柵極電阻太大了 會(huì)與MOSFET的極間電容形成RC電路會(huì)

14、嚴(yán)重印象MOSFET的充放電時(shí)間，造成MOSFET消耗功率過(guò)高，發(fā)熱嚴(yán)重。MOSFET當(dāng)中的高頻振蕩原因是，由MOSFET的結(jié)電容和柵極回路中的寄生電感共同作用產(chǎn)生的，也就是說(shuō)MOSFET在開通關(guān)斷時(shí)，MOSFET的結(jié)電容存在一個(gè)充電和放電的動(dòng)作，而充電、放電電流都要流過(guò)MOSFET的柵極回路，如果在柵極回路里存在寄生電感，就會(huì)產(chǎn)生L*di/dt一個(gè)電壓尖峰，可見電流變化速度直接會(huì)影響電壓尖峰的大小，如果增加?xùn)艠O電阻，充電、放電電流相應(yīng)會(huì)減小，結(jié)電容容量不變的情況下，充電時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，上面公式里的dt會(huì)變大，所以L*di/dt就會(huì)相應(yīng)減小。也就消除了高頻振蕩。2從實(shí)驗(yàn)所測(cè)的數(shù)據(jù)與波形，請(qǐng)你說(shuō)明M

15、OSFET對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的基本要求有哪一些？你能否設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用化的驅(qū)動(dòng)電路。答：（1）開關(guān)管導(dǎo)通期間驅(qū)動(dòng)電路能保證MOSFET柵源間電壓保持穩(wěn)定使其可靠導(dǎo)通。（2）驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，最好有隔離。正激驅(qū)動(dòng)電路如圖25。圖25 3從理論上說(shuō)，MOSFET的開、關(guān)時(shí)間是很短的，一般為納秒級(jí)，但實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的開、關(guān)時(shí)間卻要大得多，你能否分析一下其中的原因嗎？答：實(shí)驗(yàn)中加入了緩沖電路，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果尤其的開關(guān)特性有著非常大的影響。7、 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 實(shí)驗(yàn)剛開始時(shí)，沒(méi)有深入理解ton 、ts 、tf的實(shí)際意義，造成實(shí)驗(yàn)初期的茫然。通過(guò)翻看書本，與同伴仔細(xì)翻看教科書，最終正確理解了其準(zhǔn)確含義。通過(guò)準(zhǔn)確的理解實(shí)驗(yàn)本身

16、的意義，同時(shí)仔細(xì)查驗(yàn)了線路連接是否準(zhǔn)確，最終較為正確的完成了本次實(shí)驗(yàn)。個(gè)人總結(jié)：以后每次實(shí)驗(yàn)都必須認(rèn)真預(yù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容，確保對(duì)實(shí)驗(yàn)的透徹理解。實(shí)驗(yàn)中由于器件工作在開關(guān)狀態(tài)，而且是功率器件，因此在測(cè)量時(shí)溫升都較大。 實(shí)驗(yàn)二 晶體管觸發(fā)電路及單相橋式全控整流電路1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.加深理解鋸齒波同步移相觸發(fā)電路的工作原理及各元件的作用。2.掌握鋸齒波同步觸發(fā)電路的調(diào)試方法。3.了解單相橋式全控整流電路的工作原理。4.研究單相橋式全控整流電路在電阻負(fù)載、電阻電感性負(fù)載的工作。5.熟悉MCL-36鋸齒波觸發(fā)電路的工作。2. 實(shí)驗(yàn)線路及原理 鋸齒波觸發(fā)電路圖：鋸齒波同步移相觸發(fā)電路：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐罚?.

17、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 鋸齒波同步觸發(fā)電路的調(diào)試。2. 鋸齒波同步觸發(fā)電路各點(diǎn)波形觀察，分析。3. 單相橋式全控整流電路供電給電阻負(fù)載。4. 單相橋式全控整流電路供電給電阻-電感性負(fù)載。4. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器鋸齒波實(shí)驗(yàn):1.MCL型電機(jī)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控制屏 2. MCL-18組件 3.MCL-36組件4.雙蹤示波器 5.萬(wàn)用表單相橋式電路:1.MCL型電機(jī)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控制屏2. MCL-18組件3. MCL-33組件4. MCL-36組件5. MCL-03可調(diào)電阻器450（900并聯(lián)）6. 雙蹤示波器7. 萬(wàn)用表5. 實(shí)驗(yàn)方法 鋸齒比實(shí)驗(yàn)：1.將實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控制屏左下角的交流電源U、N輸出端接到MCL

18、-36同步電壓輸入U(xiǎn)、N端，將MCL-36上的直流輸出電壓+15V、15V和地接到MCL-18上的+15V、15V和地端。將MCL-18上“”輸出端接到MCL-36的上。 2.三相調(diào)壓器逆時(shí)針調(diào)到底，合上主電路電源開關(guān)，調(diào)節(jié)主控制屏輸出電壓=110V。用示波器觀察各觀察孔的電壓波形，示波器的地線接于“7”端。 同時(shí)觀察“1”、“2”孔的波形，了解鋸齒波寬度（“3”孔）和“1”點(diǎn)波形的關(guān)系。調(diào)整電位器RP1，使“3”的鋸齒波剛出現(xiàn)平頂，記下V1、V2、V3、V4、V5、V6各波形的幅值與寬度，比較電壓與的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如下表所示。 V1 V2 V3 V4 V5 V6幅值(v) 11.9 7.00 1

19、3.5 0.95 9.8 24.2寬度（ms） 20.6 20.6 20.6 20.6 20.6 20.6整理得各點(diǎn)波形圖為 3.調(diào)節(jié)脈沖移相范圍“”輸出電壓調(diào)至0V，即將控制電壓（=）調(diào)至零，用示波器觀察電壓（即“2”孔）及的波形，調(diào)節(jié)偏移電壓Ub（即調(diào)RP2），使=180，其波形如下圖所示。調(diào)節(jié)MCL-18的給定電位器RP1，增加，觀察脈沖的移動(dòng)情況，要求=0時(shí)，=180，=時(shí)，=30，以滿足移相范圍=30180的要求。4. 用導(dǎo)線連接“K1”和“K3”端（并接到示波器地線）。用雙蹤示波器觀察和的波形，調(diào)節(jié)電位器RP3，使和間隔180。實(shí)驗(yàn)后總結(jié)鋸齒波同步觸發(fā)電路移相范圍的調(diào)試方法，移相范

20、圍的大小與哪些參數(shù)有關(guān)？答：調(diào)節(jié)電位器RP2，改變偏移電壓Ub，從而改變。移相范圍與電位器RP1，Uct的大小等參數(shù)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)中如果要求Uct=0時(shí)，=90，應(yīng)如何調(diào)整？答：將Ug輸出電壓調(diào)至0V，即將控制電壓Uct調(diào)至零，用示波器觀察U2電壓及U6的波形，調(diào)節(jié)偏移電壓Ub，使=90。討論分析其他實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)中無(wú)法觀察到UG1K1和UG3K3的波形，后發(fā)現(xiàn)是由于UG1K1和UG3K3的輸出端有電容影響，故觀察輸出脈沖電壓波形時(shí)需接負(fù)載，即接到晶閘管的門極和陰極，才能觀察到波形。 單相橋式全控整流電路實(shí)驗(yàn)：1.按圖接線，將實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控制屏面板左下角的交流電源U、N輸出端接到MCL-36同步電壓輸

21、入U(xiǎn)、N端，將MCL-36面板上鋸齒波觸發(fā)脈沖輸出端（G1、K1,G2、K2，G3、K3，G4、K4)分別接到MCL-33面板上相應(yīng)的晶閘管VT1、VT6、VT3、VT4上。2.三相調(diào)壓器逆時(shí)針調(diào)到底，合上主電路電源開關(guān)，調(diào)節(jié)主控制屏輸出電壓=110V，并打開MCL-18面板右下角的電源開關(guān)。觀察MCL-36鋸齒波觸發(fā)電路中各點(diǎn)波形是否正確。3.單相橋式全控整流電路供電給電阻負(fù)載。按圖接線，接上電阻（450，可采用兩只900電阻并聯(lián)）、平波電抗器（700mH）負(fù)載，并調(diào)節(jié)電阻負(fù)載至最大，短接平波電抗器。合上主電路電源，使=0時(shí)，調(diào)節(jié)偏移電阻RP2，使=150。注意觀察單相橋式整流輸出波形（把示波器探頭接到負(fù)載電阻兩端即)。再調(diào)節(jié)，求取在不同角(30、60、90）時(shí)整流電路的輸出電壓=