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O四年七月實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)-務(wù)必遵守!2實(shí)驗(yàn)一 GTR MOSFET特性及驅(qū)動電路3實(shí)驗(yàn)二直流斬波電路6實(shí)驗(yàn)三半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源8實(shí)驗(yàn)四全橋DC/DC變換電路實(shí)驗(yàn) 11錯誤!未定義書簽實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)-務(wù)必遵守！主電源電壓為110V！實(shí)驗(yàn)五 單相正弦波（SPWM ）逆變電源.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、修改測試點(diǎn)時(shí)：先關(guān)閉主電源.打開主電源前須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查主電源電壓為110V,主功率回路接線錯誤

2、將會燒毀模塊!實(shí)驗(yàn)一 GTR 、MOSFET 特性及驅(qū)動電路一實(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對驅(qū)動電路的要求。4熟悉 GTR ” MOSFET主要參數(shù)的測量方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 GTR 的特性與驅(qū)動電路研究。2 MOSFET 的特性與驅(qū)動電路研究。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器 1 NMCL-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)臺主控制屏四實(shí)驗(yàn)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(shí)的 GTR存貯

3、時(shí)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 （”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”18”與主回路的“3”“19與主回路“ 'GTR的“（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(shí)間ts。ts=（b ）加上貝克箝位電路后的 GTR存貯時(shí)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(fù)載時(shí) GTR 的開關(guān)

4、特性測試（a）電阻負(fù)載時(shí)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“2與面板上的“20相連，“2與“10” “12”“ 13與“ 15”“17與GTR 的“ B”14”和GTR 的“ E”“18與主回路的“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（ “1與“18之間）的波形及集電極電流Ie（ “1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

5、“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(shí)的開關(guān)特性測試（a） 斷開 “13與“15”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(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)過程測試 -與上述3測試方

6、法相同。（b）有基極反壓時(shí)的開關(guān)過程測試GTR :將原來的“18與“斷開，并將“18與“以及“與“湘連，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(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)緩沖電路作用測試（a）帶電阻負(fù)載GTR : “ 4” GTR的“ C”相連、“ 5與 GTR “ E”相連，觀察有與沒有緩沖電路時(shí)“18與“ 15”及“18與GTR的“C”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“

7、 C'之間波形。2、MOSFET 的特性與驅(qū)動電路研究（1）不同負(fù)載時(shí) MOSFET 的開關(guān)特性測試（a）電阻負(fù)載時(shí)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”與“ 14”、 “ 18與主回路的“湘連。用示波器分別觀察，柵極驅(qū)動信號Ib （ “G”與“ 18之間）的波形及電流lc（ “14” “ 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)特性測試除

8、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），其余接線與測試方法同上。ton=us，ts=us，tf=us（2）不同柵極電流時(shí)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”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(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

9、壓時(shí)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(shí)的開關(guān)過程測試MOSFET :將原來的“18與 “斷開，并將“18與 “以及“8” “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(fù)載MOSFET :“ 6” MOSFET的“ D”相連、“ 7與 “ S”相連，觀察有與沒有緩沖電路時(shí)“ G”與“18”及MOSFET的“D”與 “29”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。2 .繪出MOSFET有與沒有基極、柵極反壓時(shí) 的開關(guān)波形，并分析其對關(guān)斷過程的影響。五.實(shí)驗(yàn)報(bào)

10、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。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1 SG3525 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。1電力電子教學(xué)試驗(yàn)臺主控制屏2 NMCL-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。1 SG3525 性能測試先按下開關(guān) S1（ 1）鋸齒

11、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 （ 2）輸出最大與最小占空比測量。測量“2端”。2 buck 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

12、，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 .VDVT C1ropper2 VDL2 C1RVDRC1L2VTL1 VD C2pper3. boost chopper(1 )照圖接成 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VTbuckchopper。L1L1VD£T 2tvDAVTC1LBuck ChopperBoost ChopperL2C1L1L1C2VDVTVDRVTL2C1Cuk ChopperSepic ChopperVTL1Buck-Boost ChopperC1VT L1 VDVDC1

13、RL2C2RL1VDRopper4. buck-boost chopper(1 )照圖接成 buck-boost chopper電感和電容任選，負(fù)載電阻r選r4或?qū)嶒?yàn)步驟同 buck chopper電路。r6。VDVDI HiT> w耳TC1 二LRrVTL1 C1RBoost ChopperBuck-Boost ChopperL1C2VDC1L2L1VDRVT L2 C1 RVT L1 VD C2pperSepic Chopper89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。2 . PWM控制

14、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(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 . SG3525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教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺主控制屏2. NMCL-16 組件3 .雙蹤示波器（自備）4 萬用表（自備）四. 實(shí)驗(yàn)方法1 . SG3525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“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

15、電源，分別將“PWM波形發(fā)生”的“7” “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“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(xiǎn)絲 ），用示波器

16、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(shí)觀察兩個 MOSFET 的波形，否則會造成短路，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 33Q）,記 錄輸出整流二極管陽極和陰極間的電壓波形（“5”“7”之間，以及“6”和“7”間）記錄波形、周期、脈寬以及幅值，觀察輸出電源電壓uo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”間，“6”端和“9”間），記錄波形、周期、

17、脈寬和幅值。5斷開“和 “12之間的連線，連接 “和 “ 11”（負(fù)載電阻為3Q）,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 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”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33Q），測量輸出電壓 U

18、2的值，計(jì)算負(fù)載調(diào)整率U2 5U2100%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1 . PWM控制器SG3525性能測試。2 . H型PWM變換器DC/DC主電路性能測試。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6 11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

19、 管的柵極驅(qū)動電路，F(xiàn)A為瞬時(shí)動作的過流保護(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(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)臺主控制屏2 . NMCL 31 組件3 . NMCL 22 組件4 . MEL 03A 組件5 .雙蹤示波器(自備)五. 實(shí)驗(yàn)方法1 . UPW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

20、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 “湘連，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 .控制電路的測試(1)邏輯延時(shí)時(shí)間的測試在上述實(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)動信號列區(qū)時(shí)間測試分別將 “隔離驅(qū)動 ”的 G 和主回路的 G 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(shí)間：t dVT1.VT2 =tdV

21、T3.VT4 =3 DC/DC 波形觀察按圖 6 11a 接線。（ 1）波形的測試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)動信號死區(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

22、用方法。二. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 正弦波發(fā)生電路調(diào)試。2 . PWM專用集成電路SG3525性能測試。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試。4不同調(diào)制度M時(shí)的負(fù)載端電壓測試。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。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

23、足是變壓器原邊繞組利用率低，當(dāng)變壓器原邊兩個繞組不完全對 稱時(shí)或者兩開關(guān)器件特性不對稱時(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)動電路簡單、系統(tǒng)效率較高的特點(diǎn)。當(dāng)開關(guān)其間 VTi、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正弦波（我們這里僅需得到頻率固定的

24、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(jìn)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=U rm/U tm）就可以改變輸出電壓的幅值，正常MCI?？紤]到5腳處的鋸齒波如圖 5 6a所示，鋸齒波的頂點(diǎn) Uh約為3.3V，谷點(diǎn)Ul約為0.9V。為此，正弦波信號必須如圖56b所示，即其峰一峰值必須在0.9V3.3V范圍內(nèi)變化。正弦波發(fā)生電路如圖5 7所示。a圖5 6b由圖5 7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)正弦波峰一峰值，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(fù)對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1