电力电子器件特性和驱动实验一

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。

（4）阅读实验指导书关于GTO、GTR、MOSFET、IGBT的驱动原理。

三、实验所需设备及挂件

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：

图 X-1特性实验原理电路图

三相电网电压

X-2虚框中五种器件的1、2、3标号连接示意图

2、GTO、MOSFET、GTR、IGBT四种驱动实验原理电路框图如下图X-3所示：

图X-3 GTO、MOSFET、GTR、IGBT四种驱动实验原理电路框图

3、GTO、MOSFET、GTR、IGBT四种驱动实验的流程框图如图X-4

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

（1）注意示波器使用的共地问题。

（2）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。

（3）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。

（4）不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X－5的框图接主电路

图X－5实验接线框图

a) 部分实验图片如下：

c）负载电阻R,用DJK09中的两个90Ω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：

2)调整直流整流电压输出Uo=40V.

接线完毕，并检查无误后（注意调压器输出开始为最小），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。（实验最大可通过电流为1.3A）。

2、GTO、MOSFET、GTR、IGBT驱动电路的研究。

1）关闭DJK01总电源，按图X－6的框图接线.（注意：实验接线一个个进行）

图X－6 GTO、MOSFET、GTR、IGBT驱动电路实验

a)直流励磁电源和灯泡负载图片

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：

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200～1000Hz 变化；选择高频时，调W1，频率可在2K ～10K 变化.调W2看占空比可调范围。

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α时负载的电压平均值Ua 于下表中。

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（或控制极）驱动电压、元件管压降的波形。 (3)画出Ua=f （α）的曲线。

(4)讨论并分析实验中出现的问题。

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 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

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MOSFET 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。