实验一电力晶体管(GTR)驱动电路研究

一．实验目的

1．掌握GTR对基极驱动电路的要求

2．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

1．连接实验线路组成一个实用驱动电路

2．PWM波形发生器频率与占空比测试

3．光耦合器输入、输出延时时间与电流传输比测试

4．贝克箝位电路性能测试

5．过流保护电路性能测试

三．实验线路

四．实验设备和仪器

1．MCL-07电力电子实验箱

2．双踪示波器

3．万用表

4．教学实验台主控制屏

五．实验方法

1．检查面板上所有开关是否均置于断开位置

2．PWM波形发生器频率与占空比测试

（1）开关S1、S2打向“通”，将脉冲占空比调节电位器RP顺时针旋到底，用示波器观察1和2点间的PWM波形，即可测量脉冲宽度、幅度与脉冲周期，并计算出频率f与占空比D

当S2通，RP右旋时：当S2断，RP右旋时：

当S2通，RP左旋时： 当S2断，RP左旋时：

（2）将电位器RP左旋到底，测出f与D。

（3）将开关S2打向“断”，测出这时的f与D。

（4）电位器RP顺时针旋到底，测出这时的f与D。

（5）将S2打在“断”位置，然后调节RP，使占空比D=0.2左右。

3．光耦合器特性测试

（1）输入电阻为R1=1.6K?时的开门，关门延时时间测试

a．将GTR单元的输入“1”与“6”分别与PWM波形发生器的输出“1”与“2”相连，再分别连接GTR单元的“3”与“5”，“9”与“7”及“6”与“11”，即按照以下表格的说明连线。

b．GTR单元的开关S1合向“”，用双踪示波器观察输入“1”与“6”及输出“7”与“11”之间波形，记录开门时间ton（含延迟时间td和下降时间tf）以及关门时间toff（含储存时间ts和上升时间tr）

对应的图为：     

（2）输入电阻为R2=150?时的开门，关门延时时间测试

将GTR单元的“3”与“5”断开，并连接“4”与“5”，调节电位器RP顺时针旋到底（使RP短接），其余同上，记录开门、关门时间。

对应的图为：   

（3）输入加速电容对开门、关门延时时间影响的测试

断开GTR单元的“4”和“5”，将“2”、“3”与“5”相连，即可测出具有加速电容时的开门、关门时间。

对应的图为：    

（4）输入、输出电流传输比(CTR)测定

电流传输比定义为CTR=输出电流/输入电流

GTR单元的开关S1合向“5V”，S2打向“通”，连接GTR的“6”和PWM波形发生器的“2”，分别在GTR单元的“4”和“5”以及“9”与“7”之间串入直流毫安表，电位器RP左旋到底，测量光耦输入电流Iin、输出电流Iout。

改变RP(逐渐右旋)，分别测量5-6组光耦输入，输出电流，填入表5—5。

4．驱动电路输入，输出延时时间测试

GTR单元的开关S1合向“”，将GTR单元的输入“1”与“6”分别与PWM波形发生器的输出“1”与“2”相连，再分别连接GTR单元的“3”与“5”，“9”与“7”及“6”与“11”、“8”，即按照以下表格的说明连线。

用双踪示波器观察GTR单元输入“1”与“6”及驱动电路输出“14”与“11”之间波形，记录驱动电路的输入，输出延时时间。

对应的图为：

5．贝克箝位电路性能测试

（1）不加贝克箝位电路时的GTR存贮时间测试。

GTR单元的开关S1合向“”，将GTR单元的输入“1”与“6”分别与PWM波形发生器的输出“1”与“2”相连，再分别连接GTR单元的”2“、“3”与“5”，“9”与“7”，“14”与“19”，“29”与“21”，以及GTR单元的“8”、“11”、“18”与主回路的“4”，GTR单元的“22”与主回路的“1”，即按照以下表格的说明连线。

用双踪示波器观察基极驱动信号ub（“19”与“18”之间）及集电极电流ic（“22”与“18”之间）波形，记录存贮时间ts

对应的图为：    

（2）加上贝克箝位电路后的GTR存贮时间测试

在上述条件下，将20与14相连，观察与记录ts的变化。

对应的图为：   

6．过流保护性能测试

在实验5接线的基础上接入过流保护电路，即断开“8”与“11”的连接，将“36”与“21”、“37”与“8”相连，开关S3放在“断”位置。

用示波器观察“19”与“18”及“21”与“18”之间波形，将S3合向“通”位置，(即减小比较器的比较电压，以此来模拟采样电阻R8两端电压的增大)，此时过流指示灯亮，并封锁驱动信号。

将S3放到断开位置，按复位按钮，过流指示灯灭，即可继续进行试验。

六．实验报告

1．画出PWM波形，列出PWM波形发生器S2在“通”与“断”位置时的频率f与最大，最小占空比。

2．画出光耦合器在不同输入电阻及带有加速电容时的输入、输出延时时间曲线，探讨能缩短开门、关门延时时间的方法。

3．列出光耦输入、输出电流，并画出电流传输比曲线。

4．列出有与没有贝克箝位电路时的GTR存贮时间ts，并说明使用贝克箝位电路能缩短存贮时间ts的物理原因以及对贝克箝位二极管V1的参数选择要求。

5．试说明过流保护电路的工作原理。

6．实验的收获，体会与改进意见。

 

第二篇：电力电子第一次实验报告

                 单相半控桥整流电路实验报告

一．实验名称：单相半控桥整流电路实验

二．已知条件：从三相交流电源进端取线电压Uuw（约230v）到降压变压器（MCL-35）,输出单相电压（约124v）作为整流输入电压u₂；

在（MCL-33）两组基于三相全控整流桥的晶闸管阵列（共12只）中，选定两只晶闸管，与整流二极管阵列（共6只）中的两只二极管组成共阴级方式的半控整流桥，保证控制同步，并外接纯阻性负载。实验电路图如下，其中纯阻感负载去掉电感原件。

三．实验完成目标：

1.      实现控制触发脉冲与晶闸管同步；

2.      观察单相半控桥在纯阻性负载时Ud，U_VT波形，测量最大移相范围及输入输出特性；

3.      单相半控桥在阻感负载时，测量最大移相范围，观察失控现象并讨论解决方案。

四． 主要仪器设备：

1.      浙江大学求实公司生产MCL-111型电力电子实验平台；

2.      美国TAX公司生产示波器，型号：TDS1012，带宽：100MHz  1Gs/s；

3.      数字万用表，型号：CDM-8145.

五．实验人员分工：

六．实验过程简述

1实现同步

接通电源和控制信号后，如何判断移相控制是否同步?

  保证实验触发控制信号与主电源信号同步是实验的前提条件，如果失去同步相位关系，触发电路会失去对主回路输出电压的准确控制，输出电压与实验预期将有很大误差。可以使用实验提供的双通道示波器来进行检测判断，将电源信号和控制信号分别通入示波器GH1和CH2通道，观察比较二者的波形相位关系，从而判断他们是否同步。接通电源和控制信号的同时观察示波器中Ud每个周期中触发角触发的位置是否一样，如果出现紊乱现象则说明移相控制不同步。如果Ud每个周期中触发角触发的位置都是一样的，那么移相控制是一致的。

2半控桥纯阻性负载实验

实验电路图：

实验内容和步骤：

1连续改变控制角a，测量并记录电路实际的最大移相范围，用数码相

记录α最小、最大和90^o时的输出电压u_d波形（注意：负载电阻不宜过小，确保当输出电压较大时， Id 不超过0.6A）；

2在最大移相范围内，调节不同的控制量，测量控制角 a、输入交流电压u₂、控制信号uct和整流输出Ud的大小，要求不低于8组数据。

实验用仪器：电力电子实验平台，TDS1012型示波器，CDM

-8145型数字万用表（量程0—200v）

实验在不同触发延迟角时对应的波形（最小触发角实际不能达到理想0°，我们小组测得最小α对应4.5°，最大α为156.6°。）

 

触发角α=4.5°

            触发角α=90°

                触发角α=156.6°

实验测试数据记录如下：

实验数值与理论值的比较：

（理论Ud=0.9U2(1+COSα)/2）

误差分析：

从上表可以看出由实验记录算得的输出电压在最大最小触发角附近时的误差较大，而在中间触发角时则比较接近理论值。我们分析这主要是数值过于接近量程边缘导致读数误差较大，要得到精细值需要量程更精确的测量仪器。

同时，我们操作时，电网电压值不稳定也导致测量结果产生偏差。

实验计算过程没有考虑管压降也是导致误差的原因。

另外，人为读数产生的误差也不可忽视。

思考题

如何利用示波器测定移相控制角的大小？

  可以利用示波器时间轴测距功能，测出时间轴零点与波形出现点的时间差Δt，

根据工频为50Hz推得波形周期T=0.02s，由计算式α=Δt*360°/T可以算出移相控制角的大小。

3半控桥阻-感负载（串联L=200mH）实验：

实验电路图：

实验内容和步骤：

1断开总电源，将负载电感串入负载回路；

2连续改变控制角α，记录α最小、最大和90^o时的输出电压u_d波形，观察其特点（Id 不超过0.6A）；固定控制角α在较大值，调节负载电阻由最大逐步减小（分别达到电流断续、临界连续和连续0.5A值下测量。注意 Id ≤0.6A），并记录电流Id波形，观察负载阻抗角的变化对电流Id的滤波效果；

3调整控制角α或负载电阻，使Id≈0.6A，突然断掉两路晶闸管的脉冲信号（模拟将控制角α快速推到180^o），制造失控现象，记录失控前后的u_d波形，并思考如何判断哪一只晶闸管失控；

实验用仪器：电力电子实验平台，TDS1012示波器，CDM-8145型数字万用表（量程0—200v）。

实验在不同触发延迟角时对应的波形：

 

             触发角α=4.5°

 

             触发角α=90°

         触发角α=180°

波形图分析：当触发角接近180°时，触发后多时间内电流就有急剧减小的趋势，这是由于电感续流，导致在短时间内出现强烈的电压脉冲。

固定控制角α在较大值，调节负载电阻由最大逐步减小（分别达到电流断续、临界连续和连续0.5A值下测量。注意Id≤0.6A），记录电流Id波形观察负载阻抗角的变化对电流Id的滤波效果。

失控观察实验：

实验测得波形图如下：

      

   电流断续              电流临界断续         电流连续0.5A时

调整控制角α或负载电阻，使Id≈0.6A，突然断掉两路晶闸管的脉冲信号，制造失控现象，失控时的波形图：

               

失控现象分析：

     单相半控桥式整流电路带大电感负载时，在实际运行中，当突然把控制角α增大到180°以上或突然切断触发电路时会发生正在导通的晶闸管一直导通，两个二极管轮流导通的现象，此时触发信号对输出电压失去了控制作用。

判断失控晶闸管的方法：

方法1：用数字万用表测量两只晶闸管两端的电压，如果其中一只的测量结果在1v左右且基本保持不变，则可以判断是这只晶闸管发生失控。

方法2：在发生失控时分别将两只晶闸管中的一只接线取下，观察输出电压Ud是否变化，若Ud不发生变化则说明另一只晶闸管发生了失控。

失控的解决方法：

     在带感性负载的半控桥式整流电路中接续流二极管。电路图如下：

测绘电阻负载时Ud=f（α）和Ud=f（Uct）的实验特性曲线，其中将实验Ud=f（α）与理论推算Ud=f（α）特性曲线比较：

     

误差分析：由图可以看出Ud的实测值与理论值在实验误差允许范围内。

思考题：

如何在负载回路获得负载电流的波形？

  由于示波器是测量电压波形的仪器因而不能用示波器直接测得电流波形，但回路中电流与电压有简单的正比关系I=U/R,因此用示波器测得的电压波形与电流波形一样，只不过二者之间相差一个比例1/R。

思考题：

1.阐述实验面板晶闸管序号构成半控桥的依据：

  实验时两个晶闸管需要共阴极连接，选1号与4号管正好满足共阴极连接且两管相位差满足180°。

2.分析阻-感性负载时，为什么减小负载电阻输出电流的波形越趋平稳？基于有较大的感抗值，电路能否接纯感性负载工作，为什么？

负载电阻减小时，电感放电的时间增加，所以波形越趋平稳。

电路不能接纯电感负载，因为电路起保护电路的作用，如果是纯感性负载，电感只消耗无功，有功过大会容易损坏器件。

3.分析同样的阻感负载时，本电路与单相全控桥的输出电压Ud特征差异，说明原因。

所以存在差异是因为全控时，Ud过零变负时，因为电感的存在，导通晶闸管之间仍有电流id流过，造成Ud为负，直到下一组晶闸管导通；半控时，Ud过零变负时，一支二极管以承受正向电压正偏导通，而另一支反向截止，负载电流id经二极管和晶闸管流通。此时整流桥输出电压为正向压降，接近于零，所以整流输出电压Ud没有负半周，所以半控桥和全控桥是不同的。

4.     若以Ud=f(Uct)的实验特性曲线作为控制电源的静态模型建模依据，该电源的近似放大系数Ks≈？

Ks≈Ud/Uct

实验可信性分析及优化改进方案

  本实验中半控桥纯阻性负载实验在触发控制角趋于0°和180°时实验测得结果与理论有较大误差，可信度较低，而在20—120区间实际值与理论值接近，误差小，可信度较高。对比电阻负载时Ud=f（α）和Ud=f（Uct）的实验特性曲线也可以得出这一点。阻感性负载实验波形与预期接近，具有可信度。

  我们小组在实验时讨论可以利用这套实验装置来进行验证实验，在学习电力电子理论课程时我们了解到，“纯感性负载电路晶闸管最大正向电压为 √2/2U₂最大反向电压为√2U₂”而“阻感性负载电路晶闸管最大正向电压和反向电压都为√2U₂”对于这一变化老师给我们的解释是由于电感的存在使得晶闸管中的维持电流不能突变，使得在给1号晶闸管加负电压仍导通，这样2号晶闸管的最大正向电压变为√2U₂。我们认为在这次实验中可对这一解释进行验证，方案是在负载回路连入电感后，分别将输入电压U2和1号晶闸管的端电压信号接入双通道示波器，观察他们的波形特征。如果观察到1号晶闸管端电压的变化明显滞后于U2的正负变化，这可以验证上述解释的正确性。

 

实验总结：

  通过这次单相半控桥整流电路实验，首先使我们在电力电子课上学习的理论知识的到了实践，更形象的认识到了电路的整流过程和整流原理。同时试验中我们发现现实中实验的操作结果并没有我们预期的那么契合，其中存在很多干扰变量，例如不经过实验我们就会认为外部电网供电电压是恒定的220v，而实际电网电压存在波动，并且对实验产生干扰，做了这次实验认识到实际与理论的差距。另外实验中我们小组大家都很认真很重视，积极思考，相互交流意见，努力做一次专业的实验，锻炼了我们的能力，让我们更重视实践。