电力电子第一次实验

1、实验一 直流斩波电路实验姓名：王圣雨班级：自14同组：潘新蕾、费定宇日期：2013.11.30实验一 直流斩波电路实验一、实验目的： 掌握降压斩波电路、升压斩波电路及斩波控制电路的结构和工作原理，熟悉以上两种基本斩波电路的工作状态和波形情况及调试方法。二、实验内容：（1）了解驱动电路的结构和实验电路的工作原理（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（4）升降压斩波电路的波形观察及电压测试三、实验步骤与方法：3.1 直流供电电源的构成：图1 直流供电电源原理图图中MC0101C是输入变压器模块，其输入为三相市电供电电源，可以提供输出相电压为15V、75V、90

2、V等几种选择，为实验提供与电网隔离的不同输出电压的交流电源。图中L1、L2和L3为三相电源进线端，接三相380V市电（实验装置中已经连接好）。（1）将标有2U3和2W3的端口分别与2V3端用U型短接桥连接，构成变压器副边星形输出。（2）选取15V处的输出端，即2U2、2V2和2W2三端与整流模块MC0308的输入端分别相连。（3）将滤波模块MC0601与整流模块MC0308用U型短接桥连接组成整流滤波电路。（4）用U型短接桥连接滤波模块MC0601上的滤波电容。整流滤波电路输出端作为斩波电路主电路的供电电源使用，空载时电压约为40V。（5）接通输入变压器模块MC0101C上的主电路电源开关，用

3、万用表测量并确认滤波模块MC0601上的输出直流电压。若结果和40V相差较大，严禁往下做实验。注意事项：实验过程中始终选用输入变压器模块MC0101C上的开关控制主电路的通断。开关在“I”位置时主电路接通，开关在“0”位置时主电路断开。3.2 控制电路的连接：直流电源模块MC0201D提供控制电路使用的+15V、0V和-15V直流电压，由该模块上的电源开关控制其通断。将MC0511控制单元上下端的+15V、0V和-15V用U型短接桥分别与其对应的各端连接好。MC0511控制单元由SG3525脉宽调制控制芯片产生驱动信号。注意事项：除了降压斩波电路实验外，始终要用U型短接桥将MC0511控制单元

4、上的“输出限幅”端口短接，以保证斩波电路负载上的输出电压工作在安全范围内，确保实验装置的安全。3.3 驱动电路的测试： 将示波器探头连接到MC0511控制单元的G和S端口，闭合直流电源模块MC0201D上的电源开关，观测MC0511控制单元上SG3525控制芯片及接口电路所产生的驱动信号的波形。MC0511作为斩波器等主电路功率器件的驱动信号，该模块输出频率有5kHz、12 kHz和20 kHz等，并带有输出限幅功能。（1）旋转“脉冲宽度调节”旋钮改变占空比；旋转“开关频率选择”旋钮可以使得斩波电路分别在“低频”、“中频”、“高频”三个不同的开关频率下工作，观察驱动信号占空比和开关频率的变化情

5、况。（2）“输出限幅“和“禁止”功能的确认：观察U型短接桥接入MC0511控制单元“输出限幅”端口前后信号最大占空比的变化，分析该功能作用；（2）将U型短接桥接入“禁止”端口，观察输出信号的变化，分析该功能的作用。3.4 降压斩波电路的性能研究： （1）搭建降压斩波电路：开关器件使用模块MC2018C上的任一MOSFET管（VT1、VT2、VT3或者VT4），将MC0511控制单元驱动信号输出的G端和S端分别连接到所选择的MOSFET管的G端（驱动端）和S端。用模块MC0604C上的电感电容元件以及模块MC0301上的二极管搭建如图所示的降压斩波电路，负载为模块MC1093G上的3个灯泡。图2

6、 降压斩波电路（2）旋转MC0511控制单元上的“开关频率选择”旋钮，选定“低频”（开关频率为5 kHz）运行模式。（3）将MC0511控制单元下方的“脉冲宽度调节”旋钮旋转至0%位置，闭合直流电源模块MC0201D上的电源开关，“+15V”指示灯点亮。观察MC0511控制单元上所选择的的开关频率指示灯是否正确点亮。（4）接通输入变压器模块MC0101C上的主电路电源，用万用表测量滤波模块MC0601上的输出直流电压，确认其约为40 V。调节MC0511控制单元上的“脉冲宽度调节”旋钮至约为30%处，观察灯泡亮度的变化，用万用表测量并记录灯泡负载上的电压Uo和斩波器输入直流电压E（即图1的输出

7、直流电压）的值。用示波器观察并记录驱动信号的波形，对比此时的波形与步骤（3）时所观察到的驱动信号的波形之间的区别。观察并记录斩波电路MOSFET 漏源极两端、电感两端、二极管两端的波形。观察负载两端的波形。（5）调节MC0511控制单元上的“脉冲宽度调节”旋钮，将占空比从约10逐渐调到约70，至少记录5 组实验数据，结果填入表1中。（6）轻载实验（仅记录一种电路在占空比为30%时的波形）。负载只接入一个模块MC1093E上的25W/220V 灯泡，重复步骤3.4第（4）项的内容。分析轻载情况下以上参数或波形发生变化的原因。（7）调节MC0511 控制单元上的“开关频率选择”旋钮，将斩波器开关频

8、率调整为“中频”（12kHz）或“高频”（20kHz）后再通电重复步骤3.4中（2）（6）项的实验内容。注意观察频率改变后各元器件上的波形与对应的“低频”情况下波形有何不同，分析其原因。（8）断开二极管单元模块MC0301 上阻容吸收电路（又称缓冲电路）的U型短接桥，观察二极管两端的波形，然后再重新接好U 型短接桥。分析产生毛刺的原因。（先体会一下后续课程将讲到的缓冲电路的作用。）3.5 升压斩波电路的性能研究： 负载使用模块MC1093E上灯泡，并将MC0511单元上输出限幅端口的+和-用U型短接桥接好，二极管模块MC0301上的阻容吸收电路要用U型短接桥接好。搭建升压斩波电路，重复3.4中

9、（2）（7）的内容。图3 升压斩波电路3.6 升降压斩波电路：重载：MC1093F上3个灯泡；轻载：MC1093E上一个25W/220V灯泡。搭建升降压斩波电路，重复3.4中（2）（7）的内容。图4 升降压斩波电路四、实验结果：4.1 直流供电电源的构成：用万用表测量滤波模块MC0601上的输出直流电压：40.89 V4.2 驱动电路的测试：开关频率均为低频（5kHz）时，不同占空比20/40/60时的波形：开关频率均为中频（12 kHz）时，不同占空比20/40/60时的波形：开关频率均为高频（20 kHz）时，不同占空比20/40/60时的波形： 占空比为最大时所得到的波形： 接入输出限幅

10、后波形变化： 结论：输出限幅的接入可以限制输出波形占空比用U型短接桥接入“禁止”端口：实验平台发出警报声，说明“禁止”端口禁止用U型短接桥短接，可能是由于发生短路。4.3 降压斩波电路性能研究：4.3.1降压斩波电路低频（5 kHz）情况：(1) 重载：调节MC0511控制单元上的“脉冲宽度调节”旋钮至30%处，观察到灯亮度随着占空比变大而逐渐变大。灯泡负载上的电压Uo：13.69V，斩波器输入直流电压E：38.55V实验图片：驱动信号波形/MOSFET漏源极两端/电感两端/二极管两端/负载两端 (2) 重载性能测试结果：表1 斩波电路测试结果电路形式：降压斩波电路 开关频率：5kHz 负载情

11、况：重载36V/25W（%）1030406070UO(V)6.9913.6916.5922.8625.58E(V)39.2738.5537.9037.1136.82（3）轻载实验：灯泡负载上的电压Uo：30.79V，斩波器输入直流电压E：40.21V。实验图片：驱动信号波形/MOSFET漏源极两端/电感两端/二极管两端/负载两端 4.3.2降压斩波电路中频（12 kHz）情况：（1）调节MC0511控制单元上的“脉冲宽度调节”旋钮至30%处，观察灯亮度变化。灯泡负载上的电压Uo：13.93V；斩波器输入直流电压E：38.30V实验图片：驱动信号波形/MOSFET漏源极两端/电感两端/二极管两端

12、/负载两端（2）重载实验：调节MC0511上脉冲宽度调节旋钮，将占空比从10%调节到70%，至少记录5组数据。表2 斩波电路测试结果电路形式：降压斩波电路 开关频率：12 kHz 负载情况：重载36V/25W（%）1030406070Uo(V)7.2613.9316.6422.1425.19E(V)39.1538.3037.9537.2036.74（3）轻载实验：灯泡负载上的电压Uo：19.79V；斩波器输入直流电压E：40.26V实验图片：驱动信号波形/MOSFET漏源极两端/电感两端/二极管两端/负载两端（4）断开二极管单元模块MC0301上阻容吸收电路的U型短接桥，观察二极管两端的波形，

13、然后再重新接好U型短接桥。断开U型短接桥后的二极管两侧波形4.4 升压斩波电路性能研究：（中频12 kHz）（1）调节MC0511控制单元上的“脉冲宽度调节”旋钮至30%处，观察灯亮度变化：灯泡负载上的电压Uo：64.92V；斩波器输入直流电压E：39.09V实验图片：驱动信号波形/MOSFET漏源极两端/电感两端/二极管两端/负载两端（2）重载实验：调节MC0511上脉冲宽度调节旋钮，将占空比从10%调节到70%，至少记录5组数据。表3 斩波电路测试结果电路形式：升压斩波电路 开关频率：12 kHz 负载情况：重载220V/25W（%）1030406070Uo(V)51.0964.9275.

14、73113.10145.42E(V)39.3339.0938.8638.0737.39（3）轻载实验：灯泡负载上的电压Uo：70.50V；斩波器输入直流电压E：39.63V实验图片：驱动信号波形/MOSFET漏源极两端/电感两端/二极管两端/负载两端4.5 升降压斩波电路研究（低频5 kHz）（1）调节MC0511控制单元上的“脉冲宽度调节”旋钮至30%处，观察灯泡亮度的变化，用万用表测量并记录灯泡负载上的电压UO和斩波器输入直流电压的值。观察并记录斩波电路MOSFET漏源极两端、电感两端、二极管两端的波形。观察负载两端的波形。灯泡负载上的电压Uo：13.82V；斩波器输入直流电压E：39.6

15、0V实验图片：驱动信号波形/MOSFET漏源极两端/电感两端/二极管两端/负载两端（2）重载实验：调节MC0511上脉冲宽度调节旋钮，将占空比从10%调节到70%，至少记录5组数据。表4 斩波电路测试结果电路形式：升降压斩波电路 开关频率： 5kHz 负载情况： 重载110V/90W（%）1030406070Uo(V)4.3013.8218.5733.1447.08E(V)40.1339.6039.4038.7438.14（3）轻载实验：实验图片：驱动信号波形/MOSFET漏源极两端/电感两端/二极管两端/负载两端五、实验结果分析：1. 了解MC0511控制单元的工作原理，分析不同占空比和开关

16、频率时波形的变化情况；分析驱动信号在连接MOSFET前后波形的变化情况；说明“输出限幅”和“禁止”功能的作用。MC0511为PWM控制单元，由SG3525芯片及外围电路构成。SG3525是一种脉宽调制控制电路，通过改变外接阻容参数和输入给定值，可以产生不同频率和不同占空比的控制信号，作为斩波器等主电路功率器件的驱动信号。从波形图可以看出，调节占空比和开关频率可以使波形相应变化。不同频率条件下各元器件上的波形变化：从波形图可以看出，在中频（12 kHz）条件下各元器件上的波形更加类似于正弦波，而低频（5 kHz）条件下各元器件上的波形更加类似于方波，因为频率越低，则电压有足够的时间来达到一个较为

17、稳定的值，另一方面是因为电压值是按指数规律变化的，开始的时候变化较快，后面变化较为缓慢。不同占空比条件下的波形变化：随着占空比的增大，灯泡变亮，观察负载两端的波形，可以发现，负载两端波形的毛刺增多。连接MOSFET前的驱动信号波形上升沿有一个小尖峰，而连接MOSFET之后驱动信号变得平缓了，没有了小尖峰。“输出限幅”的功能是保证斩波电路负载上的输出电压工作在安全范围内，确保实验装置的安全。在“输出限幅”短接后，GS输出波形占空比变小。“禁止”的功能是禁止电压输出。当短接并合闸后，会出现报警音。2. 对于每一种斩波电路，在重载时波形不失真的情况下，根据记录的实验数据，绘制出一组该斩波电路的Uo/E-曲线（包括理想曲线和实测曲线），讨论产生差异的原因。曲线图见上面每个重载数据表格后面产生差异的原因：从电源的方面来说，电源电压随着占空比在变化，占空比增大，E减小；另一方面，电感值并不是无穷大，对于升降压斩波电路，电感的值和电容的值并不是无穷大，负载上的电压有脉动，造成输出电压不稳定；此外，用万用表测量电压时由于表笔接触的问题也会导致测量误差。这些不确定性因素综合起来造成实际测得的曲线和理论曲线的不一致。3. 选择一种斩波电路，在重载和轻载条件下，在占空比为30%时，画出相应的波形图，标明电