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.docx
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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.docx
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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
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
1.MOSFET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
1.MCL-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
、实验线路
见图2—2
五.实验方法
1.MOSFET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6—7组ID、Vgs,其中ID=1mA必测,填入表2—6。
表2—6
ID(mA)
1
Vgs(V)
(2)跨导gFS测试
双极型晶体管(GTR)通常用hFE(β)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2—6的测量数值,计算gFS。
(3)转移特性ID=f(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2—6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2—7。
表2—7
ID(mA)
1
VDS(V)
(5)ID=f(VSD)测试
ID=f(VSD)系指VGS=0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”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”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=200Ω时的开关特性。
(2)栅极电阻采用R7=470Ω时的开关特性。
(3)栅极电阻采用R8=Ω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。
.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,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,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
1.IGBT主要参数测试。
2.EXB840性能测试。
3.IGBT开关特性测试。
4.过流保护性能测试。
三.实验设备和仪器
1.NMCL-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
.实验线路
见图2—3
.实验方法
1.IGBT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“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6—7组ID、Vgs,其中ID=1mA必测,填入表2—8。
表2—8
ID(mA)
1
Vgs(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2—9。
表2—9
ID(mA)
1
Vgs(V)
(3)导通电阻RDS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2—10。
表2—10
ID(mA)
1
Vgs(V)
2.EXB840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”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:
4
IGBT:
10
主回路:
3
IGBT:
4
IGBT:
5
IGBT:
6
IGBT:
7
IGBT:
2
IGBT:
3
IGBT:
12
IGBT:
14
RP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)。
a.C1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”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:
1
PWM:
1
IGBT:
13
PWM:
2
IGBT:
4
IGBT:
5
IGBT:
6
IGBT:
7
IGBT:
2
IGBT:
3
IGBT:
12
IGBT:
14
IGBT:
17
IGBT:
16
IGBT:
10
IGBT:
18
IGBT:
15
主回路:
4
IGBT:
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R5=3kΩ改为R4=27Ω,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。
.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。
.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(BuckChopper)和升压斩波电路(BoostChopper)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
1.SG3525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。
2.NMCL-16组件。
3.NMEL-03电阻箱(900Ω/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
1.SG3525的调试。
原理框图见图2—6。
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2—7。
(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”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900Ω/0.41A的电阻并联起来,顺时针旋转调至阻值最大约450Ω),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900Ω)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。
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- 电力 电子 实验 指导书 功率 场效应 晶体管 MOSFET 特性 驱动 电路 研究