电力电子实验报告

电力电子实验报告

北京科技大学自动化学院

2011年6月

实验一 功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路

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) 2．驱动电路的输入,输出延时时间测试. 3．电阻负载时，MOSFET开关特性测试

三、实验线路

四．实验方法

1．MOSFET主要参数测试：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。

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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）。

读取的数据记录在了表1—1中。 表1—1 ID（mA） 0.240 0.691 0.825 1 1.487 1.764 2.28 Vgs（V） 3.189 3.306 3.326 3.348 3.394 3.413 3.446 2．驱动电路的输入、输出延时时间测试

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，

在上述接线基础上，再将“5”与“8”、“6”与“7”、“10”、“11”与“12”相连，“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t。

延时时间t=180ns.

3．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” 相连，主回路的“1”与MOSFET单元的“25”，主回路的“4”与MOSFET单元的“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ton ，toff

测得：ton=800ns toff=250us （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。 测得：ton=105ns toff=500us

五．实验数据处理

1. 开启阀值电压VGS(th)测试实验中记录的数据如下： 表1—1 ID（mA） 0.240 0.691 0.825 1 1.487 1.764 2.28 Vgs（V） 3.189 3.306 3.326 3.348 3.394 3.413 3.446 知开启阈值电压为Vgs=3.348V，漏极电流ID=1A

由实验数据得漏极电流ID和栅源电压Vgs的关系曲线如下：

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2．绘出电阻负载，有与没有并联缓冲时的开关波形，并在图上标出ton、toff。 a. 无并联缓冲时的开关特性测试图

测得：ton=800ns toff=250us

b. 有并联缓冲时的开关特性测试图

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测得：ton=105ns toff=500us

五．实验思考题

1．栅极电阻的大小对MOSFET的开、关特性有何影响？为什么？

改变栅极电阻的大小可以改变开关速度，因为改变栅极电阻的大小会改变栅极回路的时间常数大小，进而影响开关速度。

2．缓冲电路的作用是什么？加入缓冲电路对开关特性有何影响？

缓冲电路可以将开关损耗从器件内部转移到缓冲电路中，然后再消耗在缓冲电路的电阻上，从而来降低MOSFET的开关损耗；加入缓冲电路会使得MOSFET的开、关时间延长，开关速度变慢。

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？

理论上的MOSFET的参数值在实际制造中很难达到，有一定的误差，同时实验设备中的电流和电压以及各种电子元器件都与理论值有差距，再加上测量器材的测量误差，从而导致MOSFET的开、关时间的测量值与实际值产生较大差距。

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实验二．绝缘栅双极型晶体管(IGBT)特性与驱动电路

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。

三．实验线路

四．实验方法

1．IGBT主要参数测试：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

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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，当集电极电流IC=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2—1。 表2—1 IC（mA） 0.252 0.499 0.778 1 1.35 1.75 2.06 Vgs（V） 5.89 6.00 6.07 6.11 6.16 6.20 6.23

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“18”与“13”、与门输入“2”与“1”相连，且芯片6于18之间的开关拨到通，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。

测量得：ton= 1.5us ，toff=1.25us

（2）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。

慢速关断时间为：t=1.5us （3）关断时的负栅压测试

断开“18”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。

负栅极电压值为：V1=40V （4）过流阀值电压测试

断开“18”与“13”，“2”与“1”的连线，分别连接“2”与“3”，“4”与“5”，“6”与“7”，将主回路的“3”与“4”分别和“18”与“17”相连，且芯片6与 18之间的开关拨到通，即按照以下表格的说明连线。 IGBT：17 IGBT：18 IGBT：4 IGBT：6 IGBT：2 主回路：4 主回路：3 IGBT：5 IGBT：7 IGBT：3

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。

过电流保护阈值电压值为：V2=7.58V 3．开关特性测试：电阻负载时开关特性测试

将“1”与“13”分别与pwm波形发生器“1”与“2”相连，“4”与“5”，“6”与“7”，‘2“与”3“，“12”与“14”， “17”与“16”相连，主回路的“1”与“4”分别和IGBT

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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：17 IGBT：15 IGBT：18 IGBT：16 主回路：4 主回路：1 用示波器分别观察“18”与“15”及“14”与“15”的波形，记录开通延迟时间。 开通延迟时间：t=600ns 4．并联缓冲电路作用测试

（1）电阻负载，18与19相连，17于20相连，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

五．实验数据处理

1. 开启阀值电压VGS(th)测试实验中记录的数据如下： ID（mA） 0.252 0.499 0.778 1 1.35 1.75 2.06 Vgs（V） 5.89 6.00 6.07 6.11 6.16 6.20 6.23 知开启阈值电压为Vgs=6.11V，漏极电流为ID=1A。

IGBT的转移特性曲线

2．绘出输入、输出及慢速关断等波形，并标出延时与慢速关断时间。

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输入输出波形图：

测量得：ton= 1.5us toff=1.25us

慢速关断波形图：

慢速关断时间为：t=1.5us

3．绘出所测的负栅压值与过流阀值电压值。 负栅压值为U1=40V，过流阀值电压为U2=7.58V 4．绘出电阻负载开关波形，并在图上标出tON 与tOFF。 电阻负载开关波形图：

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开通延迟时间：t=600ns

5．绘出电阻负载，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。

电阻负载无缓冲电路时，波形如左图，有缓冲电路时，波形如右图：

电阻、电感负载无缓冲电路时，波形如左图，有缓冲电路时，波形如右图：

六．实验思考题

1． 如何实现IGBT的过流，过压保护？

IGBT的过电流保护可以采用集电极电压识别的方法，在正常工作时，IGBT的通态饱和电压降Uon与集电极电流Ic呈近似线性变化关系，识别Uon的大小即可判断IGBT集电极电流的大小，检测发现过电流信号即切断门极控制信号，实现过电流保护；过电压保护可以通过缓冲电路来实现，缓冲电路可以抑制过电压并限制du/dt。

2．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。

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MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，驱动电路简单，需要的驱动功率小，IGBT的驱动电路与MOSFET相似，但是需要注意对过电流和过电压的保护；MOSFET的开关容量比IGBT的开关容量小，但是开关频率比IGBT开关频率高；MOSFET无反并联寄生二极管，IGBT有；MOSFET的电流、电压容量较小，IGBT的电流、电压容量较大；MOSFET使用时注意栅极电阻和缓冲电路的控制，在保证开关速率的前提下减小MOSFET的开关损耗，IGBT使用时需注意过电流和过电压的保护，防止电流电压过高使IGBT烧毁。

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实验三 直流斩波电路(设计性)的性能研究

一．实验目的

熟悉三种斩波电路（buck chopper 、boost chopper 、buck-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

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。记录不同频率时锯齿波的周期及幅值。

a. s1闭合时的曲线

此时，锯齿波周期T=110us，幅值A=2.3V b. s1、s2闭合时的曲线

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此时，锯齿波周期T=342us，幅值A=2.2V c. s1、s2、s3闭合时的曲线

此时，锯齿波周期T=280us，幅值A=2.0V d. s1、s2、s3、s4闭合时的曲线

此时，锯齿波周期T=2.6ms，幅值A=2.0V

(2) 输出最大与最小占空比测量。测量“2”端。 CH1为最小占空比图，CH2为最大占空比图，如下：

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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, 4端接到斩波电路中IGBT管VT的E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。

UAD1的波形如下：

(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)。 a. s1、s2闭合时UAD1波形图

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b. s1、s2、s3闭合时UAD1波形图

c. s1、s2、s3、s4闭合时UAD1

波形图见CH2

(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。

调节电阻大小以后电压波形图如下： a. s1闭合时的波形图

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b. s1、s2闭合时的波形图

c. s1、s2、s3闭合时的波形

图

d. s1、s2、s3、s4闭合时的波形图

3．boost chopper

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, 4端接到斩波电路

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中IGBT管VT的E端。

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。 r=515Ω时的波形

4．buck-boost chopper

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, 4端接到斩波电路中IGBT管VT的E端。

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 r=22Ω时的波形

四．实验思考题

总结一下触发脉冲的占空比的改变对直流斩波电路负载电压的影响，为什么会有这样的影响。

设输入电压为E，负载电压为U0，占空比为α。 电路类型 占空比α对负载电压U0的影响 原因

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降压斩波电U0随α的增大而增大，随其减小而减小；且U0E U0=E/（1-α） 路 升降压斩波U0随α的增大而增大，随其减小而减小；当0<α<0.5时，U0E α）

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实验总结

通过本次实验，我受益颇多。

本次实验给了我一个动手实践的机会，让我有机会把课本上的理论知识和实际结合起来。本次实验包括了MOSFET的特性和驱动电路、IGBT的特性和驱动电路、直流斩波电路的研究三个部分，在MOSFET的特性与驱动电路和IGBT的特性与驱动电路这两个实验中，我们自己动手搭建了MOSFET和IGBT的驱动电路并测试了其特性，研究了两种电子器件的开关特性及其开关特性的影响因素，让我深刻理解了这两种电子器件的特性、用法以及使用时的注意事项，并通过实际的观察的得出了两种器件的区别。而在直流斩波电路的研究实验中，通过对升压斩波、降压斩波、升降压斩波电路的观察研究，我从实际的波形中了解了三种斩波方式的区别，更加深刻的理解了三种斩波电路的原理。

实验中也遇到了很多困难。 由于《电力电子技术》这门课是上学期的课程，结束了快一年了，大部分的知识已经记忆的很模糊了，突然做起实验有一种无从下手的感觉，同时由于实验设备有一些问题，我们的实验做得很不顺利，先是调节电阻MOSFET的栅极电压始终是0，然后是示波器的波形图调节有问题，无法正常的放大缩小，再后来是实验箱无法通电„„各种困难让我们的实验进行的举步维艰，不过通过慢慢的调整，慢慢的找问题，我们还是基本上做完了这个实验。从实验中我认识到，在实验设备达不到要求或设备有问题时不能慌乱，要慢慢的找问题，耐下心来，问题总会解决的，也只有这样才能真正的完成实验。

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