电力电子实验指导书功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路研究.doc

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1、实验三 功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路研究一实验目的：1熟悉MOSFET主要参数的测量方法2掌握MOSEET对驱动电路的要求3掌握一个实用驱动电路的工作原理与调试方法二实验内容1MOSFET主要参数：开启阀值电压VGS(th),跨导gFS,导通电阻Rds 输出特性ID=f（Vsd）等的测试2驱动电路的输入,输出延时时间测试.3电阻与电阻、电感性质载时，MOSFET开关特性测试4有与没有反偏压时的开关过程比较5栅-源漏电流测试三实验设备和仪器1MCL-07电力电子实验箱中的MOSFET与PWM波形发生器部分2双踪示波器（自配）3毫安表4电流表5电压表四、实验线路见图22五实验方法

2、1MOSFET主要参数测试（1）开启阀值电压VGS(th)测试开启阀值电压简称开启电压，是指器件流过一定量的漏极电流时（通常取漏极电流ID=1mA)的最小栅源电压。在主回路的“1”端与MOS 管的“25”端之间串入毫安表，测量漏极电流ID，将主回路的“3”与“4”端分别与MOS管的“24”与“23”相连，再在“24”与“23”端间接入电压表, 测量MOS管的栅源电压Vgs，并将主回路电位器RP左旋到底，使Vgs=0。将电位器RP逐渐向右旋转，边旋转边监视毫安表的读数，当漏极电流ID=1mA时的栅源电压值即为开启阀值电压VGS（th）。读取67组ID、Vgs，其中ID=1mA必测，填入表26。表

3、26ID（mA）1Vgs（V）（2）跨导gFS测试双极型晶体管（GTR）通常用hFE（）表示其增益，功率MOSFET器件以跨导gFS表示其增益。跨导的定义为漏极电流的小变化与相应的栅源电压小变化量之比，即gFS=ID/VGS。典型的跨导额定值是在1/2额定漏极电流和VDS=15V下测得，受条件限制，实验中只能测到1/5额定漏极电流值。根据表26的测量数值，计算gFS。（3）转移特性IDf（VGS）栅源电压Vgs与漏极电流ID的关系曲线称为转移特性。根据表26的测量数值，绘出转移特性。 (4)导通电阻RDS测试导通电阻定义为RDS=VDS/ID将电压表接至MOS 管的“25”与“23”两端，测量

4、UDS，其余接线同上。改变VGS 从小到大读取ID与对应的漏源电压 VDS，测量5-6组数值，填入表27。表27ID（mA）1VDS（V）(5)IDf（VSD）测试IDf（VSD）系指VGS0时的VDS特性，它是指通过额定电流时，并联寄生二极管的正向压降。a在主回路的“3”端与MOS管的“23” 端之间串入安培表，主回路的“4”端与MOS管的“25”端相连，在MOS管的“23”与“25”之间接入电压表，将RP右旋转到底，读取一组ID与VSD的值。b将主回路的“3”端与MOS管的“23”端断开，在主回路“1”端与MOS管的“23”端之间串入安培表，其余接线与测试方法同上，读取另一组ID与VSD的

5、值。c将“1”端与“23”端断开，在在主回路“2”端与“23”端之间串入安培表，其余接线与测试方法同上，读取第三组ID与VSD的值。2快速光耦6N137输入、输出延时时间的测试将MOSFET单元的输入“1”与“4”分别与PWM波形发生器的输出“1”与“2”相连，再将MOSFET单元的“2”与“3”、“9”与“4”相连，用双踪示波器观察输入波形（“1”与“4”）及输出波形（“5”与“9”之间），记录开门时间ton、关门时间toff。ton= ，toff=3驱动电路的输入、输出延时时间测试在上述接线基础上，再将“5”与“8”、“6”与“7”、“10”、“11”与“12”、“13”、“14”与“16

6、”相连，用示波器观察输入“1”与“4”及驱动电路输出“18”与“9”之间波形，记录延时时间toff。4电阻负载时MOSFET开关特性测试（1）无并联缓冲时的开关特性测试在上述接线基础上，将MOSFET单元的“9”与“4”连线断开，再将“20”与“24”、“22”与“23”、“21”与“9”以及主回路的“1”与“4”分别和MOSFET单元的“25”与“21”相连。用示波器观察“22”与“21”以及“24”与“21”之间波形（也可观察“22”与“21”及“25”与“21”之间的波形），记录开通时间ton与存储时间ts。ton= ，ts=（2）有并联缓冲时的开关特性测试在上述接线基础上，再将“25”

7、与“27”、“21”与“26”相连，测试方法同上。5电阻、电感负载时的开关特性测试（1）有并联缓冲时的开关特性测试将主回路“1”与MOSFET单元的“25”断开，将主回路的“2”与MOSFET单元的“25”相连，测试方法同上。（2）无并联缓冲时的开关特性测试将并联缓冲电路断开，测试方法同上。6有与没有栅极反压时的开关过程比较（1）无反压时的开关过程上述所测的即为无反压时的开关过程。（2）有反压时的开关过程将反压环节接入试验电路，即断开MOSFET单元的“9”与“21”的相连，连接“9”与“15”，“17”与“21”，其余接线不变，测试方法同上，并与无反压时的开关过程相比较。7不同栅极电阻时的开

8、关特性测试电阻、电感负载，有并联缓冲电路（1）栅极电阻采用R6=200时的开关特性。（2）栅极电阻采用R7=470时的开关特性。（3）栅极电阻采用R8=1.2k时的开关特性。8栅源极电容充放电电流测试电阻负载，栅极电阻采用R6，用示波器观察R6两端波形并记录该波形的正负幅值。9消除高频振荡试验当采用电阻、电感负载，无并联缓冲，栅极电阻为R6时，可能会产生较严重的高频振荡，通常可用增大栅极电阻的方法消除，当出现高频振荡时，可将栅极电阻用较大阻值的R8。六实验报告1根据所测数据，列出MOSFET主要参数的表格与曲线。2列出快速光耦6N137与驱动电路的延时时间与波形。3绘出电阻负载，电阻、电感负载

9、，有与没有并联缓冲时的开关波形，并在图上标出ton、toff。4绘出有与没有栅极反压时的开关波形，并分析其对关断过程的影响。5绘出不同栅极电阻时的开关波形，分析栅极电阻大小对开关过程影响的物理原因。6绘出栅源极电容充放电电流波形，试估算出充放电电流的峰值。7消除高频振荡的措施与效果。8实验的收获、体会与改进意见。六、思考题1增大栅极电阻可消除高频振荡，是否栅极电阻越大越好，为什么？请你分析一下，增大栅极电阻能消除高频振荡的原因。2从实验所测的数据与波形，请你说明MOSFET对驱动电路的基本要求有哪一些？你能否设计一个实用化的驱动电路。3从理论上说，MOSFET的开、关时间是很短的，一般为纳秒级

10、，但实验中所测得的开、关时间却要大得多，你能否分析一下其中的原因吗？实验四 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究一实验目的1熟悉IGBT主要参数与开关特性的测试方法。2掌握混合集成驱动电路EXB840的工作原理与调试方法。二实验内容1IGBT主要参数测试。2EXB840性能测试。3IGBT开关特性测试。4过流保护性能测试。三实验设备和仪器1NMCL-07电力电子实验箱中的IGBT与PWM波形发生器部分。2双踪示波器。（自配）3毫安表4电压表5电流表6教学实验台主控制屏四实验线路见图23五实验方法1IGBT主要参数测试（1）开启阀值电压VGS（th）测试在主回路的“1”端与IGBT的

11、“18”端之间串入毫安表，将主回路的“3”与“4”端分别与IGBT管的“14”与“17”端相连，再在“14”与“17”端间接入电压表，并将主回路电位器RP左旋到底。将电位器RP逐渐向右旋转，边旋转边监视毫安表，当漏极电流ID=1mA时的栅源电压值即为开启阀值电压VGS（th）。读取67组ID、Vgs，其中ID=1mA必测，填入表28。表28ID（mA）1Vgs（V） （2）跨导gFS测试在主回路的“2”端与IGBT的“18”端串入安培表，将RP左旋到底，其余接线同上。将RP逐渐向右旋转，读取ID与对应的VGS值，测量5-6组数据，填入表29。表29ID（mA）1Vgs（V）（3）导通电阻RDS

12、测试将电压表接入“18”与“17”两端，其余同上，从小到大改变VGS，读取ID与对应的漏源电压VDS，测量5-6组数据，填入表210。表210ID（mA）1Vgs（V）2EXB840性能测试（1）输入输出延时时间测试IGBT部分的“1”与“13”分别与PWM波形发生部分的“1”与“2”相连，再将IGBT部分的“10”与“13”、与门输入“2”与“1”相连，用示波器观察输入“1”与“13”及EXB840输出“12”与“13”之间波形，记录开通与关断延时时间。ton= ，toff=（2）保护输出部分光耦延时时间测试将IGBT部分“10”与“13”的连线断开，并将“6”与“7”相连。用示波器观察“8

13、”与“13”及“4”与“13” 之间波形，记录延时时间。（3）过流慢速关断时间测试接线同上，用示波器观察“1”与“13”及“12”与“13”之间波形，记录慢速关断时间。（4）关断时的负栅压测试断开“10”与“13”的相连，其余接线同上，用示波器观察“12”与“17”之间波形，记录关断时的负栅压值。（5）过流阀值电压测试断开“10”与“13”，“2”与“1”的相连，分别连接“2”与“3”，“4”与“5”，“6”与“7”，将主回路的“3”与“4”分别和“10”与“17”相连，即按照以下表格的说明连线。 IGBT：17 主回路：4IGBT：10主回路：3IGBT：4IGBT：5IGBT：6IGBT：

14、7IGBT：2 IGBT：3IGBT：12IGBT：14RP左旋到底，用示波器观察“12”与“17”之间波形，将RP逐渐向右旋转，边旋转边监视波形，一旦该波形消失时即停止旋转，测出主回路“3”与“4”之间电压值，该值即为过流保护阀值电压值。（6）4端外接电容器C1功能测试供教师研究用EXB840使用手册中说明该电容器的作用是防止过流保护电路误动作（绝大部分场合不需要电容器）。aC1不接，测量“8”与“13”之间波形。b“9”与“13”相连时，测量“8”与“13” 之间波形，并与上述波形相比较。3开关特性测试（1）电阻负载时开关特性测试将“1”与“13”分别与波形发生器“1”与“2”相连，“4”

15、与“5”，“6”与“7”，2“与”3“，“12”与“14”，“10”与“18”， “17”与“16”相连，主回路的“1”与“4”分别和IGBT部分的“18”与“15”相连。即按照以下表格的说明连线。IGBT：1PWM：1IGBT：13PWM：2IGBT：4IGBT：5IGBT：6IGBT：7IGBT：2 IGBT：3IGBT：12IGBT：14IGBT：17IGBT：16IGBT：10IGBT：18 IGBT：15 主回路：4IGBT：18主回路：1 用示波器分别观察“8”与“15”及“14”与“15”的波形，记录开通延迟时间。（2）电阻，电感负载时开关特性测试将主回路“1”与“18”的连线断

16、开，再将主回路“2”与“18”相连，用示波器分别观察“8”与“15”及“16”与“15”的波形，记录开通延迟时间。（3）不同栅极电阻时开关特性测试将“12”与“14”的连线断开，再将“11”与“14”相连，栅极电阻从R53k改为R4=27，其余接线与测试方法同上。4并联缓冲电路作用测试（1）电阻负载，有与没有缓冲电路时观察“14”与“17”及“18”与“17”之间波形。（2）电阻，电感负载，有与没有缓冲电路时，观察波形同上。5过流保护性能测试，栅计电阻用R4在上述接线基础上，将“4”与“5”，“6”与“7”相连，观察“14”与“17”之间波形，然后将“10”与“18”之间连线断开，并观察驱动波

17、形是否消失，过流指示灯是否发亮，待故障消除后，揿复位按钮即可继续进行试验。六实验报告1根据所测数据，绘出IGBT的主要参数的表格与曲线 。2绘出输入、输出及对光耦延时以及慢速关断等波形，并标出延时与慢速关断时间。3绘出所测的负栅压值与过流阀值电压值。4绘出电阻负载，电阻电感负载以及不同栅极电阻时的开关波形，并在图上标出tON 与tOFF。5绘出电阻负载与电阻、电感负载有与没有并联缓冲电路时的开关波形，并说明并联缓冲电路的作用。6过流保护性能测试结果，并对该过流保护电路作出评价。7实验的收获、体会与改进意见。七思考题1试对由EXB840构成的驱动电路的优缺点作出评价。2在选用二极管V1时，对其参

18、数有何要求？其正向压降大小对IGBT的过流保护功能有何影响？3通过MOSFET与IGBT器件的实验，请你对两者在驱动电路的要求，开关特性与开关频率，有、无反并联寄生二极管，电流、电压容量以及使用中的注意事项等方面作一分析比较。实验五 直流斩波电路的性能研究一实验目的熟悉降压斩波电路（Buck Chopper）和升压斩波电路(Boost Chopper)的工作原理，掌握这两种基本斩波电路的工作状态及波形情况。二实验内容1SG3525芯片的调试。2降压斩波电路的波形观察及电压测试。3升压斩波电路的波形观察及电压测试。三实验设备及仪器1电力电子教学实验台主控制屏。2NMCL-16组件。3NMEL-0

19、3电阻箱 (900/0.41A)。4万用表（自配）。5双踪示波器（自配）6直流安培表。四实验方法1SG3525的调试。原理框图见图26。将扭子开关S1打向“直流斩波”侧，S2电源开关打向“ON”，将“3”端和“4”端用导线短接，用示波器观察“1”端输出电压波形应为锯齿波，并记录其波形的频率和幅值。扭子开关S2扳向“OFF”，用导线分别连接“5”、“6”、“9”，用示波器观察“5”端波形，并记录其波形、频率、幅度，调节“脉冲宽度调节”电位器，记录其最大占空比和最小占空比。Dmax=Dmin=2实验接线图见图27。（1）切断NMCL-16主电源，分别将“主电源2”的“1”端和“直流斩波电路”的“1

20、”端相连，“主电源2”的“2”端和“直流斩波电路”的“2”端相连，将“PWM波形发生”的“7”、“8”端分别和直流斩波电路VT1的G1S1 端相连，“直流斩波电路”的“4”、“5”端串联NMEL-03电阻箱 (将两组900/0.41A的电阻并联起来，顺时针旋转调至阻值最大约450)，和直流安培表（将量程切换到2A挡）。（2）检查接线正确后，接通控制电路和主电路的电源(注意：先接通控制电路电源后接通主电路电源 )，改变脉冲占空比，每改变一次，分别观察PWM信号的波形，MOSFET的栅源电压波形，输出电压、u0波形，输出电流i0的波形，记录PWM信号占空比D，ui、u0的平均值Ui和U0。（3）改

21、变负载R的值（注意：负载电流不能超过1A），重复上述内容2。（4）切断主电路电源，断开“主电路2”和“降压斩波电路”的连接，断开“PWM波形发生”与VT1的连接，分别将“直流斩波电路”的“6”和“主电路2”的“1”相连，“直流斩波电路”的“7”和“主电路2”的“2”端相连，将VT2的G2S2分别接至“PWM波形发生”的“7”和“8”端，直流斩波电路的“10”、“11” 端，分别串联NMEL-03电阻箱（两组分别并联，然后串联在一起顺时针旋转调至阻值最大约900）和直流安培表（将量程切换到2A挡）。检查接线正确后，接通主电路和控制电路的电源。改变脉冲占空比D，每改变一次，分别：观察PWM信号的波

22、形，MOSFET的栅源电压波形，输出电压、u0波形，输出电流i0的波形，记录PWM信号占空比D，ui、u0的平均值Ui和U0。（5）改变负载R的值（注意：负载电流不能超过1A），重复上述内容4。（6）实验完成后，断开主电路电源，拆除所有导线。五注意事项：（1）“主电路电源2”的实验输出电压为15V，输出电流为1A，当改变负载电路时，注意R值不可过小，否则电流太大，有可能烧毁电源内部的熔断丝。（2）实验过程当中先加控制信号，后加“主电路电源2”。（3）做升压实验时，注意“PWM波形发生器”的“S1”一定要打在“直流斩波”，如果打在“半桥电源”极易烧毁“主电路电源2” 内部的熔断丝。六实验报告1分析PWM波形发生的原理2记录在某一占空比D下，降压斩波电路中，MOSFET的栅源电压波形，输出电压u0波形，输出电流i0的波形，并绘制降压斩波电路的Ui/Uo-D曲线，与理论分析结果进行比较，并讨论产生差异的原因。