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
X-2虚框中五种器件的1、2、3标号连接示意图
三相电网电压
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
1 2
3
3
1 2
2
3
1 1
2
3 3
2
1 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 .
DJK09调压器输出，开始时旋在最小。
DJK09整流输出Uo=40V
DJK09电阻。
将两个90Ω电阻串连且旋在最大
DJK01上直流电压表
DJK01上直流电流表
DJK06输出给定Ug ，分别接器件的3端，2端（地）
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）。
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？
DJK01中的励磁电源 DJK06中的灯泡负载
稳压电源部分，供各驱动电路用。
注意：各直流电压要对应。
GTO 部分
MOSFET 部分
PWM 部分
IGBT 部分。
C 端与器件IGBT 的C 连接
本实验板电源开关
GTR 部分。
C 端与器件GTR 的C 连接
GTR 部分
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。
GTO α
Ua
GTR α Ua MOSFET α Ua IGBT
α Ua
(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。
W1调频率范围 W2调PWM 的占空比
做GTR 、GTO 时，选低频1000Hz 。
做MOSFET 、IGBT 时选高频8KHz~10KHz
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。
VD1～VD4 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。