電力電子技術(shù)實驗講義

1、電力電子技術(shù)實驗講義201321111031張楊福電子信息工程1301班電子信息工程學院二一四年七月目 錄實驗注意事項-務(wù)必遵守！1實驗一 GTR MOSFET特性及驅(qū)動電路2實驗二 直流斬波電路7實驗三 半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源9實驗四 全橋DC/DC變換電路實驗11實驗五 單相正弦波（SPWM）逆變電源13實驗注意事項-務(wù)必遵守！主電源電壓為110V！一注意人身安全1接線、拆線、連接探頭時: 一律關(guān)閉主電源2在主電源打開后，不得再進行任何電路調(diào)正，僅觀察波形、記錄數(shù)據(jù)即可3調(diào)整連線、修改測試點時：先關(guān)閉主電源二打開主電源前須經(jīng)指導老師檢查主電源電壓為110V，主功率回路接線錯誤將會燒毀模塊！ 實

2、驗一 GTR、MOSFET特性及驅(qū)動電路一實驗?zāi)康?熟悉GTR、MOSFET的開關(guān)特性。2掌握GTR、MOSFET緩沖電路的工作原理與參數(shù)設(shè)計要求。3掌握GTR、MOSFET對驅(qū)動電路的要求。4熟悉GTR、MOSFET主要參數(shù)的測量方法。二實驗內(nèi)容1GTR的特性與驅(qū)動電路研究。2MOSFET的特性與驅(qū)動電路研究。三實驗設(shè)備和儀器1NMCL-07C電力電子實驗箱2雙蹤示波器（自備）3萬用表（自備）4教學實驗臺主控制屏四實驗方法1、GTR的特性與驅(qū)動電路研究（1）GTR的貝克箝位電路性能測試（a）不加貝克箝位電路時的GTR存貯時間測試將開關(guān)S1撥到15V，S2接地，PWM波形發(fā)生器的輸出端“21”

3、（占空比為50%）與面板上的“20”相連，“24與“10”、“11與“15”、 “17”與GTR的“B”端，“14”與GTR的“E”端、18”與主回路的“3”、 “19”與主回路“1”、GTR的“C”端相連。用雙蹤示波器觀察基極驅(qū)動信號UB（“15”與“18”之間）及集電極電流IE（“14”與“18”之間）波形，記錄存貯時間ts。ts=（b）加上貝克箝位電路后的GTR存貯時間測試在上述條件下，將“15”與“16”相連，觀察與記錄ts的變化。ts=（2）不同負載時GTR的開關(guān)特性測試（a）電阻負載時的開關(guān)特性測試GTR：將開關(guān)S1撥到15V，S2接地，PWM波形發(fā)生器的“21”與面板上的“20”

4、相連，“24與“10”、“12”、“13”與“15”、“17”與GTR的“B”端、14”和GTR的“E”端、“18”與主回路的“3”相連、GTR“C”端與主回路的“1”相連。E用示波器分別觀察，基極驅(qū)動信號IB(“15”與“18”之間) 的波形及集電極電流IE(“14”與“18”之間) 的波形，記錄開通時間ton，存貯時間ts、下降時間tf。ton= us，ts= us，tf= us（b）電阻、電感性負載時的開關(guān)特性測試除了將主回器部分由電阻負載改為電阻、電感性負載以外（即將“1”斷開，而將“2”相連)，其余接線與測試方法同上。ton= us，ts= us，tf= us（3）不同基極電流時的開

5、關(guān)特性測試（a）斷開 “13”與“15”的連接，將基極回路的“12”與“15”相連，其余接線同上，測量并記錄基極驅(qū)動信號IB（“15”與“18”之間）及集電極電流IE（“14”與“18”之間）波形，記錄開通時間ton，存貯時間ts、下降時間tf。（b）將GTR的“12”與“15”的連線斷開，將“11”與“15”相連，其余接線與測試方法同上。ton= us，ts= us，tf= us（4）GTR有與沒有基極反壓時的開關(guān)過程比較（a）沒有基極反壓時的開關(guān)過程測試-與上述3測試方法相同。（b）有基極反壓時的開關(guān)過程測試GTR：將原來的“18”與“3”斷開，并將“18”與“9”以及“8”與“3”相連，

6、其余接線同上，測量并記錄基極驅(qū)動信號IB（“15”與“8”之間）及集電極電流IE（“14”與“8”之間）波形，記錄開通時間ton，存貯時間ts、下降時間tf。ton= us，ts= us，tf= us（5）并聯(lián)緩沖電路作用測試（a）帶電阻負載GTR：“4”與GTR的“C”端相連、“5”與GTR “E”端相連，觀察有與沒有緩沖電路時 “18”與“15”及“18”與GTR的“C”端之間波形。（b）帶電阻，電感負載將1斷開，將2接入，觀察有與沒有緩沖電路時 “18”與“15”及“18”與GTR“C”之間波形。2、MOSFET的特性與驅(qū)動電路研究（1）不同負載時MOSFET的開關(guān)特性測試（a）電阻負載

7、時的開關(guān)特性測試MOSFET：將開關(guān)S1撥到15V，S2接地，PWM波形發(fā)生器的“21”與面板上的“20”相連，“26”與功率器件MOSFET的“G”端、“D”端與主回路的“1”、“S”端與“14” 、“18”與主回路的“3”相連。用示波器分別觀察，柵極驅(qū)動信號IB（“G”端與“18”之間) 的波形及電流IC(“14”與“18”之間) 的波形，記錄開通時間ton，存貯時間ts、下降時間tf。 ton= us，ts= us，tf= us（b）電阻、電感性負載時的開關(guān)特性測試除了將主回器部分由電阻負載改為電阻、電感性負載以外（即將“1”斷開，而將“2”相連)，其余接線與測試方法同上。 ton= u

8、s，ts= us，tf= us（2）不同柵極電流時的開關(guān)特性測試（a）斷開 “26”與“G”端的連接，將柵極回路的“27”與“G”端相連，其余接線同上，測量并記錄柵極驅(qū)動信號IG（“G”端與“18”之間）及電流IS（“14”與“18”之間）波形，記錄開通時間ton，存貯時間ts、下降時間tf。（b）斷開 “27”與“G”端的連接，將柵極回路的“28”與“G”端相連，其余接線與測試方法同上。 ton= us，ts= us，tf= us（3）MOSFET有與沒有柵極反壓時的開關(guān)過程比較（a）沒有柵極反壓時的開關(guān)過程測試-與上述2測試方法相同。（b）有柵極反壓時的開關(guān)過程測試MOSFET：將原來的“

9、18”與“3”斷開，并將“18”與“9”以及“8”與“3”相連，其余接線與測試方法同上。 ton= us，ts= us，tf= us（4）并聯(lián)緩沖電路作用測試（a）帶電阻負載MOSFET：“6”與MOSFET的“D”端相連、“7”與“S”端相連，觀察有與沒有緩沖電路時 “G”端與“18”及MOSFET的“D”端與 “29”之間波形。（b）帶電阻，電感負載將1斷開，將2接入，有與沒有緩沖電路時，觀察波形的方法同上。五實驗報告1繪出電阻負載與電感負載有與沒有并聯(lián)緩沖電路時的開關(guān)波形，并說明并聯(lián)緩沖電路的作用，并在圖上標出ton、toff。2繪出MOSFET有與沒有基極、柵極反壓時的開關(guān)波形，并分析

10、其對關(guān)斷過程的影響。實驗二 直流斬波電路一實驗?zāi)康氖煜とN斬波電路（buck chopper 、boost chopper )的工作原理，掌握這三種斬波電路的工作狀態(tài)及波形情況。二實驗內(nèi)容1SG3525芯片的調(diào)試。2斬波電路的連接。3斬波電路的波形觀察及電壓測試。三實驗設(shè)備及儀器1電力電子教學試驗臺主控制屏2NMCL-22組件3雙蹤示波器（自備）4萬用表（自備）四實驗方法按照面板上各種斬波器的電路圖，取用相應(yīng)的元件，搭成相應(yīng)的斬波電路即可。1SG3525性能測試 先按下開關(guān)S1（1）鋸齒波周期與幅值測量(分開關(guān)s2、s3、s4合上與斷開多種情況）。測量“1”端。（2）輸出最大與最小占空比測量。

11、測量“2”端。2buck chopper(1)連接電路。將UPW(脈寬調(diào)制器)的輸出端2端接到斬波電路中IGBT管VT的G端,分別將斬波電路的1與3，4與12，12與5，6與14，15與13，13與2相連，照面板上的電路圖接成buck chopper斬波器。(2)觀察負載電壓波形。經(jīng)檢查電路無誤后,按下開關(guān)s1、s8，用示波器觀察VD1兩端12、13孔之間電壓，調(diào)節(jié)upw的電位器rp，即改變觸發(fā)脈沖的占空比，觀察負載電壓的變化，并記錄電壓波形 (3)觀察負載電流波形。用示波器觀察并記錄負載電阻R4兩端波形.3boost chopper（1）照圖接成boost chopper電路。電感和電容任選

12、,負載電阻r選r4或r6。實驗步驟同buck chopper。4buck-boost chopper（1）照圖接成buck-boost chopper電路。電感和電容任選,負載電阻r選r4或r6。實驗步驟同buck chopper實驗三 半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源一實驗?zāi)康氖煜さ湫烷_關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)，元器件和工作原理，要求主要了解以下內(nèi)容。1主電路的結(jié)構(gòu)和工作原理。2PWM控制電路的原理和常用集成電路。3驅(qū)動電路的原理和典型的電路結(jié)構(gòu)。二實驗內(nèi)容1SG3525的輸出波形觀察。2半橋電路中各點波形的觀察。三實驗設(shè)備及儀器1電力電子及電氣傳動教學實驗臺主控制屏2NMCL-16組件3雙蹤示波器（自備）4萬用

13、表（自備）四實驗方法1SG3525的調(diào)試將開關(guān)S1打向“半橋電源”，分別連接“5”和“6”端，以及“9”端和“10”端，“3”端和“4”端，用示波器分別觀察鋸齒波輸出（“1”端）和A、B兩路PWM信號的波形（分別為“5”端和“9”端對地波形），并記錄波形，頻率和幅值，調(diào)節(jié)“脈沖寬度調(diào)節(jié)”電源器，記錄其占空比可調(diào)范圍。2斷開主電路和控制電路的電源，分別將“PWM波形發(fā)生”的“7”、“8”和“半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源”的G1、S1端相連，將PWM波形發(fā)生的“11”、“12”端和“半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源”的G2、S2端相連。經(jīng)檢查接線無誤后，將扭子開關(guān)S2打向“ON”，分別觀察兩個MOSFET管VT1、VT2

14、的柵極G和源極S間的電壓波形，記錄波形，周期、脈寬、幅值及上升、下降時間。3斷開主電路和控制電路的電源，分別將“主電源1”的“1”端、“2”端與“半橋開關(guān)穩(wěn)壓電源”的“1”、“2”端相連，然后合上控制電源以及主電源(注意：一定要先加控制信號，后加主電源否則極易燒毀“主電源1”的保險絲)，用示波器分別觀察兩個MOSFET的柵源電壓波形和漏源電壓波形，記錄波形、周期、脈寬和幅值，特別注意：不能用示波器同時觀察兩個MOSFET的波形，否則會造成短路，嚴重損壞實驗設(shè)備。4分別將“半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源”的“8”、“10”端相連，“9”、“12”端相連（負載電阻為33），記錄輸出整流二極管陽極和陰極間的電壓

15、波形（“5”和“7”端之間，以及“6”端和“7”端間）記錄波形、周期、脈寬以及幅值，觀察輸出電源電壓u0中的波形（“12”端和“10”端間），記錄波形、幅值，并觀察主電路中變壓器T的一次測電壓波形（“3”端和“4”端）以及二次測電壓波形（“5”端和“9”端間，“6”端和“9”端間），記錄波形、周期、脈寬和幅值。5斷開“9”和“12”之間的連線，連接“9”和“11”（負載電阻為3），重復4的實驗內(nèi)容。特別注意：用示波器同時觀察二個二極管電壓波形時，要注意示波器探頭的共地問題，否則會造成短路，并嚴重損壞實驗裝置。6斷開“PWM波形發(fā)生”的“3”，“4”兩點間連線，將“半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源”的“13”

16、端連至“半橋型穩(wěn)壓電源”的“2”端，并將“半橋型穩(wěn)壓電源”的“9”端和“PWM波形發(fā)生”的地端相連，調(diào)節(jié)“脈沖寬度調(diào)節(jié)”電位器，使“半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源”的輸出端（“8”和“9”端間）電壓為5V，然后斷開“9”，“11”端連線，連接“9”，“12”端（負載電阻改變至33），測量輸出電壓u2的值，計算負載調(diào)整率實驗四 全橋DC/DC變換電路實驗一實驗?zāi)康?掌握可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的組成、原理及各主要單元部件的工作原理。2熟悉直流PWM專用集成電路SG3525的組成、功能與工作原理。3熟悉H型PWM變換器的各種控制方式的原理與特點。二實驗內(nèi)容1PWM控制器SG3525性能測試。2H型PWM變換

17、器DC/DC主電路性能測試。三實驗系統(tǒng)的組成和工作原理全橋DC/DC變換脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖611所示。圖中可逆PWM變換器主電路系采用MOSFET所構(gòu)成的H型結(jié)構(gòu)形式，UPW為脈寬調(diào)制器，DLD為邏輯延時環(huán)節(jié)，GD為MOS管的柵極驅(qū)動電路，F(xiàn)A為瞬時動作的過流保護。全橋DC/DC變換脈寬調(diào)制器控制器UPW采用美國硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強的單片集成PWM控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試，故獲得廣泛使用。四實驗設(shè)備及儀器1教學實驗臺主控制屏2NMCL31組件3NMCL22

18、組件4MEL03A組件5雙蹤示波器(自備)五實驗方法1UPW模塊的SG3525性能測試（1）用示波器觀察UPW模塊的“1”端的電壓波形，記錄波形的周期、幅度。（2）用示波器觀察“2”端的電壓波形，調(diào)節(jié)RP2電位器，使方波的占空比為50%。（3）用導線將給定模塊“G”的“1”和“UPW”的“3”相連，分別調(diào)節(jié)正負給定，記錄“2”端輸出波形的最大占空比和最小占空比。2控制電路的測試（1）邏輯延時時間的測試在上述實驗的基礎(chǔ)上，分別將正、負給定均調(diào)到零，用示波器觀察“DLD”的“1”和“2”端的輸出波形，并記錄延時時間td= （2）同一橋臂上下管子驅(qū)動信號列區(qū)時間測試分別將“隔離驅(qū)動”的G和主回路的G

19、相連，用雙蹤示波器分別測量VVT1.GS和VVT2.GS以及VVT3.GS和VVT4.GS的列區(qū)時間：tdVT1.VT2= tdVT3.VT4=3DC/DC波形觀察按圖611a接線。（1）波形的測試a將正、負給定均調(diào)到零，交流電壓開關(guān)合向AC200V，合上主控制屏電源開關(guān)。b調(diào)節(jié)正給定，觀察電阻負載上的波形。c調(diào)節(jié)給定值的大小，觀察占空比的大小的變化。六思考題1為了防止上、下橋臂的直通，有人把上、下橋臂驅(qū)動信號死區(qū)時間調(diào)得很大，這樣做行不行，為什么？您認為死區(qū)時間長短由哪些參數(shù)決定？實驗五 單相正弦波（SPWM）逆變電源一實驗?zāi)康?掌握單相正弦波（SPWM）逆變電源的組成、工作原理、特點、波形

20、分析與使用場合。2熟悉正弦波發(fā)生電路、PWM專用集成電路SG3525的工作原理與使用方法。二實驗內(nèi)容1正弦波發(fā)生電路調(diào)試。2PWM專用集成電路SG3525性能測試。3帶與不帶濾波環(huán)節(jié)時的負載兩端，MOS管兩端以及變壓器原邊兩端電壓波形測試。4不同調(diào)制度M時的負載端電壓測試。三實驗系統(tǒng)組成及工作原理能把直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的電路稱為逆變電路，或稱逆變器。單相逆變器的結(jié)構(gòu)可分為半橋逆變器、全橋逆變器和推挽逆變器等形式。本實驗系統(tǒng)對單相推挽逆變電路進行研究。推挽逆變器的主要優(yōu)點是在任何時刻導通的開關(guān)不會多于一個，對于輸出相同的功率，開關(guān)損耗比較小，因此，特別適用于由低直流電壓（如電池）供電的場合。

21、另外，兩個開關(guān)管的驅(qū)動信號是共地的，可簡化驅(qū)動電路，其不足是變壓器原邊繞組利用率低，當變壓器原邊兩個繞組不完全對稱時或者兩開關(guān)器件特性不對稱時，還可能出現(xiàn)直流磁化飽和現(xiàn)象。逆變器主電路開關(guān)管采用功率MOSFET管，具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動電路簡單、系統(tǒng)效率較高的特點。當開關(guān)其間VT1、VT2輪流導通，再經(jīng)推挽變壓器升壓后，即可在負載端得到所需頻率與幅值的交流電源。脈寬調(diào)制信號由專用集成芯片SG3525產(chǎn)生。SG3525芯片不僅能產(chǎn)生頻率靈活可變的方波，而且可輸出正弦PWM（SPWM）信號，以提高后接變壓器的工作頻率。為了使SG3525產(chǎn)生一個SPWM信號，可在芯片的9腳處加入一個幅度可變的50Hz

22、正弦波（我們這里僅需得到頻率固定的50Hz可變電源，若需獲得頻率也可變的交變電源，則只需在9腳處加入一個幅值與頻率均可變的正弦波即可），與5腳處的鋸齒波信號進行比較，從而獲得SPWM控制信號，改變正弦波的幅值，即改變調(diào)制度M（調(diào)制度定義為正弦波調(diào)制波峰Urm與鋸齒波載波峰值Utm之比，即M=Urm/Utm）就可以改變輸出電壓的幅值，正常M1?？紤]到5腳處的鋸齒波如圖56a所示，鋸齒波的頂點UH約為3.3V，谷點UL約為0.9V。為此，正弦波信號必須如圖56b所示，即其峰峰值必須在0.9V3.3V范圍內(nèi)變化。正弦波發(fā)生電路如圖57所示。tUSWUHULU50Hztab圖56由圖57可知，正弦波發(fā)生器由兩部分組成，前半部分為RC串并聯(lián)型正弦波振蕩器，振蕩頻率設(shè)定在50Hz，調(diào)節(jié)電位器RP（即實驗掛箱面板上的幅度調(diào)節(jié)電位器），即可調(diào)節(jié)正弦波峰峰值，從而調(diào)節(jié)SPWM信號的脈沖寬度以及逆變電源輸出基波電壓的大小。正弦波發(fā)生器的后半部分為移位電路，將正負對稱的正弦波移位到第一象限，并使正弦波的谷點在0.9V之上。四實驗設(shè)備和儀器1NMCL-16實驗掛