電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)講義

1、電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)講義201321111031張楊福電子信息工程1301班電子信息工程學(xué)院二一四年七月目 錄實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)-務(wù)必遵守！1實(shí)驗(yàn)一 GTR MOSFET特性及驅(qū)動(dòng)電路2實(shí)驗(yàn)二 直流斬波電路7實(shí)驗(yàn)三 半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源9實(shí)驗(yàn)四 全橋DC/DC變換電路實(shí)驗(yàn)11實(shí)驗(yàn)五 單相正弦波（SPWM）逆變電源13實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)-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(shí): 一律關(guān)閉主電源2在主電源打開后，不得再進(jìn)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(cè)試點(diǎn)時(shí)：先關(guān)閉主電源二打開主電源前須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查主電源電壓為110V，主功率回路接線錯(cuò)誤將會(huì)燒毀模塊！ 實(shí)

2、驗(yàn)一 GTR、MOSFET特性及驅(qū)動(dòng)電路一實(shí)驗(yàn)?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(jì)要求。3掌握GTR、MOSFET對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求。4熟悉GTR、MOSFET主要參數(shù)的測(cè)量方法。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1GTR的特性與驅(qū)動(dòng)電路研究。2MOSFET的特性與驅(qū)動(dòng)電路研究。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1NMCL-07C電力電子實(shí)驗(yàn)箱2雙蹤示波器（自備）3萬用表（自備）4教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控制屏四實(shí)驗(yàn)方法1、GTR的特性與驅(qū)動(dòng)電路研究（1）GTR的貝克箝位電路性能測(cè)試（a）不加貝克箝位電路時(shí)的GTR存貯時(shí)間測(cè)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(dòng)信號(hào)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(shí)間ts。ts=（b）加上貝克箝位電路后的GTR存貯時(shí)間測(cè)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(fù)載時(shí)GTR的開關(guān)特性測(cè)試（a）電阻負(fù)載時(shí)的開關(guān)特性測(cè)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(dòng)信號(hào)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(shí)間ton，存貯時(shí)間ts、下降時(shí)間tf。ton= us，ts= us，tf= us（b）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”斷開，而將“2”相連)，其余接線與測(cè)試方法同上。ton= us，ts= us，tf= us（3）不同基極電流時(shí)的開

5、關(guān)特性測(cè)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(cè)量并記錄基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)間ton，存貯時(shí)間ts、下降時(shí)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(cè)試方法同上。ton= us，ts= us，tf= us（4）GTR有與沒有基極反壓時(shí)的開關(guān)過程比較（a）沒有基極反壓時(shí)的開關(guān)過程測(cè)試-與上述3測(cè)試方法相同。（b）有基極反壓時(shí)的開關(guān)過程測(cè)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(cè)量并記錄基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)間ton，存貯時(shí)間ts、下降時(shí)間tf。ton= us，ts= us，tf= us（5）并聯(lián)緩沖電路作用測(cè)試（a）帶電阻負(fù)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(shí) “18”與“15”及“18”與GTR的“C”端之間波形。（b）帶電阻，電感負(fù)載將1斷開，將2接入，觀察有與沒有緩沖電路時(shí) “18”與“15”及“18”與GTR“C”之間波形。2、MOSFET的特性與驅(qū)動(dòng)電路研究（1）不同負(fù)載時(shí)MOSFET的開關(guān)特性測(cè)試（a）電阻負(fù)載

7、時(shí)的開關(guān)特性測(cè)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(dòng)信號(hào)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(shí)間ton，存貯時(shí)間ts、下降時(shí)間tf。 ton= us，ts= us，tf= us（b）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”斷開，而將“2”相連)，其余接線與測(cè)試方法同上。 ton= u

8、s，ts= us，tf= us（2）不同柵極電流時(shí)的開關(guān)特性測(cè)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(cè)量并記錄柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)IG（“G”端與“18”之間）及電流IS（“14”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。（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(cè)試方法同上。 ton= us，ts= us，tf= us（3）MOSFET有與沒有柵極反壓時(shí)的開關(guān)過程比較（a）沒有柵極反壓時(shí)的開關(guān)過程測(cè)試-與上述2測(cè)試方法相同。（b）有柵極反壓時(shí)的開關(guān)過程測(cè)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(cè)試方法同上。 ton= us，ts= us，tf= us（4）并聯(lián)緩沖電路作用測(cè)試（a）帶電阻負(fù)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(shí) “G”端與“18”及MOSFET的“D”端與 “29”之間波形。（b）帶電阻，電感負(fù)載將1斷開，將2接入，有與沒有緩沖電路時(shí)，觀察波形的方法同上。五實(shí)驗(yàn)報(bào)告1繪出電阻負(fù)載與電感負(fù)載有與沒有并聯(lián)緩沖電路時(shí)的開關(guān)波形，并說明并聯(lián)緩沖電路的作用，并在圖上標(biāo)出ton、toff。2繪出MOSFET有與沒有基極、柵極反壓時(shí)的開關(guān)波形，并分析

10、其對(duì)關(guān)斷過程的影響。實(shí)驗(yàn)二 直流斬波電路一實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)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(cè)試。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器1電力電子教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)主控制屏2NMCL-22組件3雙蹤示波器（自備）4萬用表（自備）四實(shí)驗(yàn)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(cè)試 先按下開關(guān)S1（1）鋸齒波周期與幅值測(cè)量(分開關(guān)s2、s3、s4合上與斷開多種情況）。測(cè)量“1”端。（2）輸出最大與最小占空比測(cè)量。

11、測(cè)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(fù)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(fù)載電壓的變化，并記錄電壓波形 (3)觀察負(fù)載電流波形。用示波器觀察并記錄負(fù)載電阻R4兩端波形.3boost chopper（1）照?qǐng)D接成boost chopper電路。電感和電容任選

12、,負(fù)載電阻r選r4或r6。實(shí)驗(yàn)步驟同buck chopper。4buck-boost chopper（1）照?qǐng)D接成buck-boost chopper電路。電感和電容任選,負(fù)載電阻r選r4或r6。實(shí)驗(yàn)步驟同buck chopper實(shí)驗(yàn)三 半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源一實(shí)驗(yàn)?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(dòng)電路的原理和典型的電路結(jié)構(gòu)。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1SG3525的輸出波形觀察。2半橋電路中各點(diǎn)波形的觀察。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器1電力電子及電氣傳動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(shí)驗(yàn)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(hào)的波形（分別為“5”端和“9”端對(duì)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(gè)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(shí)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(hào)，后加主電源否則極易燒毀“主電源1”的保險(xiǎn)絲)，用示波器分別觀察兩個(gè)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(shí)觀察兩個(gè)MOSFET的波形，否則會(huì)造成短路，嚴(yán)重?fù)p壞實(shí)驗(yàn)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(fù)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(cè)電壓波形（“3”端和“4”端）以及二次測(cè)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(fù)載電阻為3），重復(fù)4的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。特別注意：用示波器同時(shí)觀察二個(gè)二極管電壓波形時(shí)，要注意示波器探頭的共地問題，否則會(huì)造成短路，并嚴(yán)重?fù)p壞實(shí)驗(yàn)裝置。6斷開“PWM波形發(fā)生”的“3”，“4”兩點(diǎn)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(fù)載電阻改變至33），測(cè)量輸出電壓u2的值，計(jì)算負(fù)載調(diào)整率實(shí)驗(yàn)四 全橋DC/DC變換電路實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?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(diǎn)。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1PWM控制器SG3525性能測(cè)試。2H型PWM變換

17、器DC/DC主電路性能測(cè)試。三實(shí)驗(yàn)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(shí)環(huán)節(jié)，GD為MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)電路，F(xiàn)A為瞬時(shí)動(dòng)作的過流保護(hù)。全橋DC/DC變換脈寬調(diào)制器控制器UPW采用美國(guó)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(qiáng)的單片集成PWM控制器。由于它簡(jiǎn)單、可靠及使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，故獲得廣泛使用。四實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器1教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控制屏2NMCL31組件3NMCL22

18、組件4MEL03A組件5雙蹤示波器(自備)五實(shí)驗(yàn)方法1UPW模塊的SG3525性能測(cè)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(dǎo)線將給定模塊“G”的“1”和“UPW”的“3”相連，分別調(diào)節(jié)正負(fù)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(cè)試（1）邏輯延時(shí)時(shí)間的測(cè)試在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別將正、負(fù)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(shí)時(shí)間td= （2）同一橋臂上下管子驅(qū)動(dòng)信號(hào)列區(qū)時(shí)間測(cè)試分別將“隔離驅(qū)動(dòng)”的G和主回路的G

19、相連，用雙蹤示波器分別測(cè)量VVT1.GS和VVT2.GS以及VVT3.GS和VVT4.GS的列區(qū)時(shí)間：tdVT1.VT2= tdVT3.VT4=3DC/DC波形觀察按圖611a接線。（1）波形的測(cè)試a將正、負(fù)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(fù)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(dòng)信號(hào)死區(qū)時(shí)間調(diào)得很大，這樣做行不行，為什么？您認(rèn)為死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)短由哪些參數(shù)決定？實(shí)驗(yàn)五 單相正弦波（SPWM）逆變電源一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握單相正弦波（SPWM）逆變電源的組成、工作原理、特點(diǎn)、波形

20、分析與使用場(chǎng)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(shí)驗(yàn)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(cè)試。3帶與不帶濾波環(huán)節(jié)時(shí)的負(fù)載兩端，MOS管兩端以及變壓器原邊兩端電壓波形測(cè)試。4不同調(diào)制度M時(shí)的負(fù)載端電壓測(cè)試。三實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)單相推挽逆變電路進(jìn)行研究。推挽逆變器的主要優(yōu)點(diǎn)是在任何時(shí)刻導(dǎo)通的開關(guān)不會(huì)多于一個(gè)，對(duì)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(chǎng)合。

21、另外，兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是共地的，可簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，其不足是變壓器原邊繞組利用率低，當(dāng)變壓器原邊兩個(gè)繞組不完全對(duì)稱時(shí)或者兩開關(guān)器件特性不對(duì)稱時(shí)，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(dòng)電路簡(jiǎn)單、系統(tǒng)效率較高的特點(diǎn)。當(dāng)開關(guān)其間VT1、VT2輪流導(dǎo)通，再經(jīng)推挽變壓器升壓后，即可在負(fù)載端得到所需頻率與幅值的交流電源。脈寬調(diào)制信號(hào)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(hào)，以提高后接變壓器的工作頻率。為了使SG3525產(chǎn)生一個(gè)SPWM信號(hào)，可在芯片的9腳處加入一個(gè)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(gè)幅值與頻率均可變的正弦波即可），與5腳處的鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較，從而獲得SPWM控制信號(hào)，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。考慮到5腳處的鋸齒波如圖56a所示，鋸齒波的頂點(diǎn)UH約為3.3V，谷點(diǎn)UL約為0.9V。為此，正弦波信號(hào)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(shí)驗(yàn)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(hào)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(fù)對(duì)稱的正弦波移位到第一象限，并使正弦波的谷點(diǎn)在0.9V之上。四實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1NMCL-16實(shí)驗(yàn)掛