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1、电力电子器件特性和驱动实验实验三 常用电力电子器件的特性和驱动实验 一、实验目的 (1) 掌握常用电力电子器件的工作特性。 (2) 掌握常用器件对触发MOSFET、信号的要求。 (3) 理解各种自关断器件对驱动电路的要求。 (4) 掌握各种自关断器件驱动电路的结构及特点。 (5) 掌握由自关断器件构成的PWM 直流斩波电路原理与方法。 二、预习内容 (1) 了解SCR、GTO、GTR、MOSFET、IGBT的结构和工作原理。 (2) 了解SCR、GTO、GTR、MOSFET、IGBT有哪些主要参数。 (3) 了解SCR、GTO、GTR、MOSFET、IGBT的静态和动态特性。 阅读实验指导书关
2、于GTO、GTR、MOSFET、IGBT的驱动原理。 三、实验所需设备及挂件 1）设备及列表 序号 型号 1 DJK01 电源控制屏 2 DJK06 给定及实验器件 3 DJK07 新器件特性试验 4 DJK09 单相调压与可调负载 5 DJK12功率器件驱动电路实验箱 6 万用表 7 双踪示波器 2) 挂件图片 备注 主电源控制屏 包含二极管、开关，正、负15伏直流给定等 含SCR、GTO、GTR、MOSFET、IGBT五种器件 1 四、实验电路原理图 1、SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT五种特性实验原理电路如下图X-1所示： 三相U电V网W电压R变压器TA调压器BACNB直流
3、整流+-AId+15V五种Uv器件UiV给定Ug电压 图 X-1特性实验原理电路图 1GTR31MOSFET3221IGBT31SCR321GTO322X-2虚框中五种器件的1、2、3标号连接示意图 2 2、GTO、MOSFET、GTR、IGBT四种驱动实验原理电路框图如下图X-3所示： PWM输出PWM发生电路GTO驱动电路GTO输入R输出VUa+励磁电源-各驱动器的直流工作电源+5v-5vGND+15v-15v+20vGTR输入GTR驱动电路MOSFET输入输出1四种3器件2MOSFET驱动电路IGBT驱动电路输出IGBT输入输出A图X-3 GTO、MOSFET、GTR、IGBT四种驱动实
4、验原理电路框图 3、GTO、MOSFET、GTR、IGBT四种驱动实验的流程框图如图X-4 有SG3525形成的PWM发生电路功率器件驱动电路功率器件负载图X-4 GTO、MOSFET、GTR、IGBT四种驱动实验的流程框图 五、实验内容 1、SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT 五种器件特性的测试 2、GTO、MOSFET、GTR、IGBT驱动电路的研究。 六、注意事项 注意示波器使用的共地问题。 每种器件的实验开始前，必须先加上器件的控制电压，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。 驱动实验中，连接驱动电路时必须注意各器件不同的接地方式。 不
5、同的器件驱动电路需接不同的控制电压，接线时应注意正确选择。 七、实验方法与步骤 1、SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT 五种器件特性的测试 1）关闭总电源，按图X5的框图接主电路 RADJK01B挂件电C源NAaAIdDJK09整流与滤波DJK09自耦调压器bB+Uo_V1五3种Uv器Ug件2DJK06的给定输出 3 图X5实验接线框图 a) 部分实验图片如下： DJK06输出给定Ug，分别接器件的3端，2端 DJK09电阻。将两个90电阻串连且旋在最大 DJK09整流输出Uo=40V DJK01上直流电流表 DJK09调压器输出，开始时旋在最小。 DJK01上直流电压表 c）负载
6、电阻R,用DJK09中的两个90串连。 b）直流电压表V, 直流电流表A，用DJK01电源屏上的直流数字表。 d)DJK07中各器件图片及接线标号图如下： 1 2 3 1 2 3 3 3 1 2 1 2 3 1 2 4 2)调整直流整流电压输出Uo=40V. 接线完毕，并检查无误后，将DJKO1的电源钥匙拧向开，按启动按钮。将单相调压器输出由小到大逐步增加，使整流输出Uo=40V. 3）各种器件的伏安特性测试 a)将DJK06的给定电位器RP1逆时针旋转到底，S1拨向“正给定”，S2拨向“给定”，打开DJK06 上的电源开关，DJK06为器件提供触发电压信号。 b)逐步右旋RP1，使给定电压从
7、零开始调节，直至器件触发导通。记录Ug从小到大的变化过程中Id、Uv的值，从而可测得器件的V/A 特性。 c)将各种器件的Ug、Id、Uv的值填入下表中： Ug SCR GTO MOSFET IGBT GTR Id Uv Ug Id Uv Ug Id Uv Ug Id Uv Ug Id Uv 2、GTO、MOSFET、GTR、IGBT驱动电路的研究。 1）关闭DJK01总电源，按图X6的框图接线. DJK12上端的各种电源接各自的驱动电路电源驱动电路的各自工作电源RVUa+励磁电源-DJK12中DJK12挂件输出输入的四种驱的PWM输动电路出输出31四种器件2AI1图X6 GTO、MOSFET
8、、GTR、IGBT驱动电路实验 5 a)直流励磁电源和灯泡负载图片 DJK01中的励磁电源 DJK06中的灯泡负载 b)直流电压和电流表同上。 c)四种电力电子器件均在DJK07 挂箱上。 d)DJK12中图片标注如下： 稳压电源部分，供各驱动电路用。注意：各直流电压要对应。 PWM部分 GTO部分 IGBT部分。 C端与器件IGBT的C连接 MOSFET部分 GTR部分 本实验板电源开关 GTR部分。C端与器件GTR的C连接 6 2) 观察PWM 波形输出变化规律正常否？ a)检查接线无误后，将DJK01的钥匙拧向开，不按启动按钮。打开DJK12的电源开关。 b)将示波器的探头接在驱动电路的
9、输入端。选择好低频或高频后，分别旋转W1、W2看波形输出变化规律。W1调频率；W2调占空比。选择低频时，调W1,频率可在2001000Hz变化；选择高频时，调W1，频率可在2K10K变化.调W2看占空比可调范围。 做GTR、GTO时，选低频1000Hz。 做MOSFET、IGBT时选高频8KHz10KHz W1调频率范围 W2调PWM的占空比 3）当观察PWM波形及驱动电路正常输出且可调后，将占空比调在最小。按DJK01的启动按钮，加入励磁电源后，再逐步加大占空比，用示波器观测、记录不同占空比时基极的驱动电压、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。 不同占空比时负
10、载的电压平均值Ua表： GTO Ua Ua Ua Ua GTR MOSFET IGBT 八、实验报告 (1)根据得到的数据，绘出各器件的输出特性Uv=f(Id)。 (2)整理并画出不同器件的基极驱动电压、元件管压降的波形。 (3)画出Ua=f的曲线。 (4)讨论并分析实验中出现的问题。 7 附：GTO、IGBT、MOSFET、GTR 驱动电路原理图。 1、GTO驱动电路如图F-1 所示 GTO 的驱动与保护电路如图F-1 所示：电路由5V 直流电源供电，输入端接PWM 发生器输出的PWM 信号，经过光耦隔离后送入驱动电路。当比较器LM311 输出低电平时，V2、V4 截止,V3 导通，+5V
11、的电源经R11、R12、R14 和C1 加速网络向GTO 提供开通电流，GTO 导通；当比较器输出高电平时，V2 导通、V3 截止、V4 导通，-5V 的电源经L1、R13、V4、R14 提供反向关断电流，关断GTO 后，再给门极提供反向偏置电压。 图F-1 GTO驱动与保护电路原理图 8 图F-2 IGBT管的驱动与保护电路 4、IGBT 驱动与保护电路 IGBT 管的驱动与保护电路如图F-2 所示，该电路采用富士通公司开发的IGBT 专用集成触发芯片EXB841。它由信号隔离电路、驱动放大器、过流检测器、低速过流切断电路和栅极关断电源等部分组成。 EXB841 的“6”脚接一高压快恢复二极
12、管VD1 至IGBT 的集电极，以完成IGBT 的过流保护。正常工作时，RS 触发器输出高电平，输入的PWM 信号相与后送入EXB841 的输入端“15”脚。当过流时，驱动电路的保护线路通过VD1 检测到集射极电压升高，一方面在10us 内逐步降低栅极电压，使IGBT 进入软关断；另一方面通过“5”脚输出过流信号，使RS 触发器动作，从而封锁与门，使输入封锁。 5、MOSFET 驱动电路 MOSFET 的驱动与保护电路如图1-15 所示，该电路由15V 电源供电，PWM 控制信号经光耦隔离后送入驱动电路，当比较器LM311 的“2”脚为低电平时，其输出端为高电平，三极管V1 导通，使MOSFE
13、T 的栅极接+15V 电源，从而使MOSFET 管导通。当比较器LM311“2”脚为高电平时，其输出端为低电平-15V，三极管V1 截止，VD1 导通，使MOSFET 管栅极接-15V 电源，迫使MOSFET关断 图1-15 MOSFET 管的驱动与保护电路 6、GTR驱动与保护电路 GTR 的驱动与保护电路原理框图如图1-16 所示：该电路的控制信号经光耦隔离后输入555，555 接成施密特触发器形式，其输出信号用于驱动对管V1 和V2，V1 和V2 分别由正、负电源供电，推挽输出提供GTR 基极开通与关断的电流。C5、C6 为加速电容，可向GTR 提供瞬时开关大电流以提高开关速度。 9 VD1VD4 接成贝克钳位电路，使GTR 始终处于准饱和状态有利于提高器件的开关速度，其中VD1、VD2、VD3 为抗饱和二极管，VD4 为反向基极电流提供回路。比较器N2 通过监测GTR 的BE 结电压以判断是否过电流，并通过门电路控制器在过电流时关断GTR。当检测到基极过电流时，通过采样电阻R11 得到的电压大于比较器N2 的基准电压，则通过与非门使74LS38 的6 脚输出为高电平，从而使V1 管截止，起到关断GTR 的作用。 图1-16 GTR的驱动与保护电路原理图 10
