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功率器件及应用实验书
第二章功率器件及应用实验
本章节介绍了典型的功率器件及应用实验，其中包括“SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验”、“GTO、MOSFET、GTR、IGBT驱动与保护电路实验”、“直流斩波电路的性能研究”、“单相正弦波脉宽调制逆变电路实验”等实验。
实验一SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT
特性实验
一、实验目的
（1）掌握各种电力电子器件的工作特性；
（2）掌握各器件对触发信号的要求。
二、实验所需设备及仪器
序号
型 号
备 注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。
2
DJK06给定及实验器件
该挂件包含“二极管”以及“开关”。
3
DJK07新器件特性实验
4
万用表
三、实验线路及原理
实验线路如图2-1：
图2-1新器件特性实验原理图
将电力电子器件和负载电阻R串联后接至直流电源的两端，由DJK06上的给定为新器件提供触发信号，使器件触发导通。
图中的电阻R用DJK06上的灯泡负载，直流电压和电流表可从DJK01电源控制屏上获得，电力电子器件在DJK07挂箱上，直流电源从电源控制屏的励磁电源取得。
四、实验内容
（1）晶闸管（SCR）特性实验。
（2）可关断晶闸管（GTO）特性实验。
（3）功率场效应管（MOSFET）特性实验。
（4）大功率晶体管（GTR）特性实验。
（5）绝缘双极性晶体管（IGBT）特性实验。
五、预习要求
阅读电力电子技术教材中有关电力电子器件的章节。
六、思考题
各种器件对触发脉冲要求的异同点？
七、实验方法及步骤
（1）按图2-1接线，将晶闸管（SCR）接入电路，在实验开始时，将给定电位器沿逆时针旋到底，关闭励磁电压。
按下“启动”按钮，打开DJK06的开关，然后打开励磁开关，缓慢调节给定输出，同时监视电压表、电流表的读数，使之指示接近零（表示管子完全导通），记录给定电压Ug、回路电流Id以及器件的管压降Uv。
Ug
Id
Uv
（2）将晶闸管换成可关断晶闸管（GTO），重复上述步骤，并记录数据。
Ug
Id
Uv
（3）换成功率场效应管（MOSFET），重复上述步骤，并记录数据。
Ug
Id
Uv
（4）换成大功率晶体管（GTR），重复上述步骤，并记录数据。
Ug
Id
Uv
（5）换成绝缘双极性晶体管（IGBT），重复上述步骤，并记录数据。
Ug
Id
Uv
八、实验报告
（1）实验报告的格式要求见《电力电子技术及电气传动实验指导书》第一章1-4；
（2）记录并整理得到的实验数据；
（3）根据得到的数据，绘出各器件的输出特性。
九、注意事项
参考《电力电子技术及电气传动实验指导书》实验一的注意事项
（1）。
实验二GTO、MOSFET、GTR、IGBT
驱动与保护电路实验
一、实验目的
（1）理解各种自关断器件对驱动与保护电路的要求；
（2）熟悉各种自关断器件的驱动与保护电路的结构及特点；
（3）掌握由自关断器件构成PWM直流斩波电路原理与方法。
二、实验所需设备及仪器
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。
2
DJK06给定及实验器件
3
DJK07新器件特性实验
4
DJK12功率器件驱动电路实验箱
5
双踪示波器
三、实验线路及原理
自关断器件的实验接线及实验原理图如图2-2所示，图中直流电源可由控制屏上的励磁电压提供，或由控制屏上三相电源中的两相经整流滤波后输出，接线时，应从直流电源的正极出发，经过限流电阻、自关断器件及保护电路、直流电流表、再回到直流电源的负端，构成实验主电路。
图2-2自关断器件的实验接线及原理图
四、实验内容
自关断器件及其驱动、保护电路的研究（可根据需要选择一种或几种自关断器件）。
五、实验方法及步骤
（1）GTR的驱动与保护电路实验
在本实验中，把DJK12实验挂箱中的频率选择开关拨至“低频档”。
然后调节频率按钮，使PWM波输出频率在“1KHz”左右。
在主电路中，直流电源由控制屏上的励磁电源输出，负载电阻R用DJK06上的灯泡负载，直流电压、电流表均在控制屏上。
驱动与保护电路接线时，要注意控制电源及接地的正确连接。
对于GTR器件，采用5V电源驱动。
接线时，PWM波形的输出端接GTR驱动模块的输入端，5V电源分别接GTR电源的输入端。
实验时应先检查驱动电路的工作情况。
在未接通主电路的情况下，接通驱动模块的电源，此时可在驱动模块的输出端观察到相应的波形，调节PWM波形发生器的频率及占空比，观测PWM波形的变化规律。
在驱动电路正常工作后，将占空比调小，然后合上主电路电源开关，再调节占空比，用示波器观测、记录不同占空比时基极的驱动电压、GTR管压降及负载上的波形。
测定并记录不同占空比时负载的电压平均值Ua于下表中：
Ua
（2）GTO的驱动与保护电路实验
将DJK12实验挂箱上的频率选择开关拨至“低频档”，调节频率调节电位器，使方波的输出频率在“1KHz”左右，然后再按实验原理图接好驱动与保护电路。
其基本的实验方法与GTR的驱动与保护电路及斩波调速实验相同。
（3）MOSFET的驱动与保护电路实验
将DJK12实验挂箱上的频率选择开关拨至“高频档”，调节频率调节电位器，使方波的输出频率在“8KHz～10KHz”范围内，然后再按实验原理图接好驱动与保护电路的实验线路，其基本的实验方法与GTR的驱动与保护电路实验一致。
（4）IGBT的驱动与保护电路实验
在本实验中，DJK12实验挂箱中的频率选择开关拨至“高频档”，改变频率调节电位器，使方波的输出频率在“8KHz～10KHz”范围内，然后再按实验原理图接好驱动与保护电路的实验线路，其基本的实验方法与GTR的驱动与保护电路实验一致。
六、实验报告
（1）实验报告的格式要求见《电力电子技术及电气传动实验指导书》第一章1-4；
（2）记录并整理所得实验数据；
（3）整理并画出不同自关断器件的基极（或控制极）驱动电压、驱动电流、元件管压降的波形；
（4）画出Ua=f（）的曲线。
七、注意事项
（1）参考实验一的注意事项
（1）。
（2）连接驱动电路时必须注意各器件不同的接地方式。
（3）不同的自关断器件需接不同的控制电压，接线时应注意正确选择。
（4）实验开始前，必须先加上自关断器件的控制电压，然后再加主回路的电源；实验结束时，必须先切断主回路电源，然后再切断控制电源。
实验三直流斩波电路的性能研究
一、实验目的
（1）熟悉直流斩波电路的工作原理；
（2）熟悉各种直流斩波电路的组成及其工作特点；
（3）了解PWM控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。
二、实验所需设备及仪器
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。
2
DJK09单相调压与可调负载
3
DJK20直流斩波电路
4
D42 三相可调电阻
5
示波器
6
万用表
三、实验线路及原理
1、主电路
①、降压斩波电路（BuckChopper）
降压斩波电路（BuckChopper）的原理图及工作波形如图2-3所示。
图中V为全控型器件，选用IGBT。
D为续流二极管。
由图2-3b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui。
当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。
负载电压的平均值为：
式中ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比（α=ton/T）。
由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比α，则UO随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。
（a）电路图
（b）波形图
图2-3降压斩波电路的原理图及波形
②、升压斩波电路（BoostChopper）
升压斩波电路（BoostChopper）的原理图及工作波形如图2-4所示。
电路也使用一个全控型器件V。
由图2-4b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向电感L1充电，充电电流基本恒定为I1,同时电容C1上的电压向负载供电，因C1值很大，基本保持输出电压UO为恒值。
设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。
当V处于断态时Ui和L1共同向电容C1充电，并向负载提供能量。
设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L1释放的能量为（UO-Ui）I1ton。
当电路工作于稳态时，一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等，即：
UiI1ton=（UO-Ui）I1toff
上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。
（a）电路图
（b）波形图
图2-4升压斩波电路的原理图及波形
③、升降压斩波电路（Boost-BuckChopper）
升降压斩波电路（Boost-BuckChopper）的原理图及工作波形如图2-5所示。
电路的基本工作原理是：
当可控开关V处于通态时，电源Ui经V向电感L1供电使其贮存能量，同时C1维持输出电压UO基本恒定并向负载供电。
此后，V关断，电感L1中贮存的能量向负载释放。
可见,负载电压为上负下正，与电源电压极性相反。
输出电压为：
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。
（a）电路图
（b）波形图
图2-5升降压斩波电路的原理图及波形
④、Cuk斩波电路
Cuk斩波电路的原理图如图2-6所示。
电路的基本工作原理是：
当可控开关V处于通态时，Ui—L1—V回路和负载R—L2—C2—V回路分别流过电流。
当V处于断态时，Ui—L1—C2—D回路和负载R—L2—D回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反。
输出电压为：
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。
图2-6Cuk斩波电路原理图
⑤、Sepic斩波电路
Sepic斩波电路的原理图如图2-7所示。
电路的基本工作原理是：
可控开关V处于通态时，Ui—L1—V回路和C2—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。
当V处于断态时，Ui—L1—C2—D—R回路及L2—D—R回路同时导电，此阶段Ui和L1既向R供电，同时也向C2充电，C2贮存的能量在V处于通态时向L2转移。
输出电压为：
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。
图2-7Sepic斩波电路原理图
⑥、Zeta斩波电路
Zeta斩波电路的原理图如图2-8所示。
电路的基本工作原理是：
当可控开关V处于通态时，电源Ui经开关V向电感L1贮能。
当V处于断态后，L1经D与C2构成振荡回路，其贮存的能量转至C2，至振荡回路电流过零，L1上的能量全部转移至C2上之后，D关断，C2经L2向负载R供电。
输出电压为：
图2-8Zeta斩波电路原理图
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。
2、控制与驱动电路
控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国SiliconGeneral公司生产的专用PWM控制集成电路，其内部电路结构及各引脚功能如图2-9所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。
调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相差、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。
它适用于各开关电源、斩波器的控制。
详细的工作原理与性能指标可参阅相关的资料。
图2-9SG3525芯片的内部结构与所需的外部组件
四、实验内容
（1）控制与驱动电路的测试；
（2）六种直流斩波器的测试。
五、思考题
（1）直流斩波电路的工作原理是什么？
有哪些结构形式和主要元器件？
（2）为什么在主电路工作时不能用示波器的双踪探头同时对两处波形进行观测？
六、实验方法及步骤
1、控制与驱动电路的测试
（1）启动实验装置电源，开启DJK20控制电路电源开关。
（3）调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，用双踪示波器分别观测SG3525的第11脚与第14脚的波形，观测输出PWM信号的变化情况，并填入下表。
Ur（V）
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.5
11（A）占空比（%）
14（B）占空比（%）
PWM占空比（%）
（3）用示波器分别观测A、B和PWM信号的波形，记录其波形、频率和幅值，并填入下表。
观测点
A（11脚）
B（14脚）
PWM
波形类型
幅值A（V）
频率f（Hz）
（4）用双踪示波器的两个探头同时观测11脚和14脚的输出波形，调节PWM脉宽调节电位器，观测两路输出的PWM信号，测出两路信号的相位差，并测出两路PWM信号之间最小的“死区”时间。
2、直流斩波器的测试（使用一个探头观测波形）
斩波电路的输入直流电压Ui由三相调压器输出的单相交流电经DJK20挂箱上的单相桥式整流及电容滤波后得到。
接通交流电源，观测Ui波形，记录其平均值（注：
本装置限定直流输出最大值为50V，输入交流电压的大小由调压器调节输出）。
按下列实验步骤依次对六种典型的直流斩波电路进行测试。
（1）切断电源，根据DJK20上的主电路图，利用面板上的元器件连接好相应的斩波实验线路，并接上电阻负载，负载电流最大值限制在200mA以内。
将控制与驱动电路的输出“V-G”、“V-E”分别接至V的G和E端。
（2）检查接线正确后，接通主电路和控制电路的电源。
（3）用示波器观测PWM信号的波形、UGE的电压波形、UCE的电压波形及输出电压Uo和二极管两端电压UD的波形，注意各波形间的相位关系。
（4）调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，观测在不同占空比（α）时，记录Ui、UO和α的数值于下表中，从而画出UO=f（α）的关系曲线。
Ur（V）
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.5
占空比α（%）
Ui（V）
Uo（V）
七、实验报告
（1）实验报告的格式要求见《电力电子技术及电气传动实验指导书》第一章1-4；
（2）分析图4-9中产生PWM信号的工作原理。
（3）整理各组实验数据，绘制各直流斩波电路的Ui/UO-α曲线，并作比较与分析。
（4）讨论、分析实验中出现的各种现象。
八、注意事项
（1）在主电路通电后，不能用示波器的两个探头同时观测主电路元器件之间的波形，否则会造成短路。
（2）用示波器两探头同时观测两处波形时，要注意共地问题，否则会造成短路，在观测高压时应衰减10倍，在做直流斩波器测试实验时，最好使用一个探头。
实验四单相正弦波脉宽调制（SPWM）逆变电路实验
一、实验目的
（1）熟悉单相交直交变频电路原理及电路组成；
（2）熟悉ICL8038的功能；
（3）掌握SPWM波产生的基理；
（4）分析交直交变频电路在不同负载时的工作情况和波形，并研究工作频率对电路工作波形的影响。
二、实验所需设备及仪器
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。
2
DJK06给定及实验器件
该挂件包含“二极管”以及“开关”等模块。
3
DJK09单相调压与可调负载
4
DJK14单相交直交变频原理
5
双踪示波器
6
万用表
三、实验线路及原理
采用SPWM正弦波脉宽调制，通过改变调制频率，实现交直交变频的目的。
实验电路由三部分组成：
即主电路,驱动电路和控制电路。
（1）主电路部分:
AC/DC（整流）DC/AC（逆变）
图2-10主电路结构原理图
如图2-10所示,交直流变换部分（AC/DC）为不可控整流电路（由实验挂箱DJK09提供）；逆变部分（DC/AC）由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式。
输出经LC低通滤波器，滤除高次谐波，得到频率可调的正弦波（基波）交流输出。
本实验设计的负载为电阻性或电阻电感性负载，在满足一定条件下,可接电阻启动式单相鼠笼式异步电动机。
实验时可由面板上的“负载选择”开关进行选择。
（2）驱动电路:
如图2-11（以其中一路为例）所示，采用IGBT管专用驱动芯片M57962L，其输入端接控制电路产生的SPWM信号，其输出可用以直接驱动IGBT管。
其特点如下：
①采用快速型的光藕实现电气隔离。
②具有过流保护功能，通过检测IGBT管的饱和压降来判断IGBT是否过流,.过流时IGBT管CE结之间的饱和压降降到一定值，使8脚输出高电平，在光藕TLP521的输出端OC1呈现低电平，经过流保护电路（见图2-12），使4013的输出Q端呈现低电平，送控制电路，起到了封锁保护作用。
图2-11驱动电路结构原理图
图2-12保护电路结构原理图
（3）控制电路:
图2－13控制电路结构框图
图2－14控制电路结构原理图
控制电路如图2-14所示，它是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。
Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。
各波形的观测点均已引到面板上，可通过示波器进行观测。
为了便于观察SPWM波，面板上设置了“测试”和“运行”选择开关，在“测试”状态下，三角载波Uc的频率为180HZ左右,此时可较清楚地观察到异步调制的SPWM波，通过示波器的锁定功能可清晰地观测SPWM波，但在此状态下不能带载运行，因载波比N太低，不利于设备的正常运行。
在“运行”状态下，三角载波Uc频率为10KHZ左右,因波形的快速闪动致使无法观察到SPWM波，通过示波器的锁定功能并经扩展后也可清晰地观测SPWM波。
正弦调制波Ur频率的调节范围设定为5-60Hz。
控制电路还设置了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，STOP呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT关断，起到保护作用。
四、实验内容
（1）控制信号的观测；
（2）单相正弦波脉宽调制逆变电路带电阻及电阻电感性负载；
（3）带电机负载（选做）。
五、思考题
（1）为了使输出波形尽可能地接近正弦波，可采取什么措施？
（2）调制波可否采用三角波？
（3）分析开关死区时间对输出的影响。
六、实验方法及步骤
（1）控制信号的观测
在主电路不接直流电源时，打开控制电源开关，并将DJK14挂箱左侧的钮子开关拨到“测试”位置。
①观察正弦调制波信号Ur的波形，测试其频率可调范围；
②观察三角载波Uc的波形，测试其频率；
③改变正弦调制波信号Ur的频率，再测量三角载波Uc的频率，判断是同步调制还是异步调制；
④比较“PWM+”，“PWM-”和“SPWM1”，“SPWM2”的区别，仔细观测同一相上下两管驱动信号之间的死区延迟时间。
（2）带电阻及电阻电感性负载
在实验步骤1之后，将DJK14挂箱面板左侧的钮子开关拨到“运行”位置，将正弦调制波信号Ur的频率调到最小，选择负载种类：
①将“负载选择”开关拨至R，L位置，接DJK06给定及实验器件，然后将主电路接通由DJK09提供的直流电源（通过调节交流侧的自藕调压器，使输出直流电压保持为200V），由小到大调节正弦调制波信号Ur的频率，观测负载电压的波形，记录其波形参数（幅值、频率）。
②保持“负载选择”开关在R，L位置，接入DJK06给定及实验器件和DJK02上的100mH电感串联组成的电阻电感性负载，然后将主电路接通由DJK09提供的直流电源（通过调节交流侧的自藕调压器，使输出直流电压保持为200V），由小到大调节正弦调制波信号Ur的频率观测负载电压的波形，记录其波形参数（幅值、频率）。
（3）带电机负载（选做）。
将“负载选择”开关拨至“电机”位置，接入DJ21-1电阻启动式单相交流异步电动机，此时必须先将正弦调制波信号Ur的频率调至最小，然后将主电路接通由DJK09提供的直流电源，并由小到大调节交流侧的自藕调压器输出的电压，观察电机的转速变化，并逐步由小到大调节正弦调制波信号Ur的频率，用示波器观察负载电压的波形，并用转速表测量电机的转速的变化，并记录之。
七、注意事项
（1）双踪示波器有两个探头，可同时测量两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。
为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。
当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。
（2）在“测试”状态下，请勿带负载运行。
（3）面板上的“过流保护”指示灯亮，表明过流保护动作，此时应检查负载是否短路，若要继续实验，应先关机后，再重新开机。
（4）当做交流电机变频调速时，通常是与调压一起进行的，以保持V/F＝常数,本装置是采用手动调节输入的交流电压。
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