2024年2月22日发(作者：)
实验五 全控型电力电子器件特性与驱动实验
一、实验目的
1．熟悉MOSFET和IGBT主要参数与开关特性的测量方法
2．掌握MOSEET对驱动电路的要求和一个实用驱动电路的工作原理与调试方法
3．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．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MOSFET的开关过程比较。
5．MOSFET栅-源漏电流测试。
6．IGBT主要参数测试。
7．EXB840性能测试。
8．IGBT开关特性测试。
9．EXB840过流保护性能测试。
三、实验设备和仪器
1．电力电子及电气传动主控制屏
2．MCL-07
3．数字双踪示波器
4．MEL-06
四、实验步骤
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。
按图5-1接线，并将主回路电位器RP左旋到底，使Vgs=0。
接通主回路开关S，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）。
VGS（th）= V
23mAMOSFET2527主回路S1R1L1R2V+断通V24VD3R102VD1R3C2263RP4图5-1开启阀值电压VGS(th)测试电路
注意：每步实验完成后需断开所有开关，确保线路改接时不带电。
（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（4A）和VDS=6.8V下测得，受条件限制，实验中只能测到0.5A电流值。
将图5-1中毫安表换为安培表，在ID=0.1A～0.5A之间，读取5～6组ID、Vgs，填入表5-1。
表5-1
ID（mA）
Vgs（V）
（3）导通电阻RDS测试
导通电阻定义为RDS=VDS/ID
按图5-2接线，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5-2。
ID（mA）
VDS（V）
表5-2
A
(4)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．按图5-3（a）连接电路，将RP右旋转到底，读取一组ID与VSD的值。
b．按图5-3（b）连接电路，测试方法同上，读取另一组ID与VSD的值。
c．按图5-3（c）连接电路，测试方法同上，读取第三组ID与VSD的值。
MOSFET25271R1L1R2MOSFET2527主回路S1R1L1R2V+断通V24VD3R102VD1R323C2263RP4图5-2导通电阻RDS测试电路
主回路271R1L1R2SV+断通主回路SV+断通MOSFET25MOSFET2527主回路S1R1L1R2V+断通V24VD3R102VD1R3V24VD3R102VD1R3V24VD3R102VD1R323C2263RP423C2263RP423C2263RP4AAA（a） （b） （c）
图5-3 ID＝f（VSD）测试电路
2．快速光耦6N137输入、输出延时时间的测试
按图5-4连接电路，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=
PWM波形发生器S1+5V断通R14MOSFET+5VS1S2+15V断RP7通断2R2R310通R5▽5556R221S2C1C2通断5311R16537+-8∞+11131614R6R7R8201918R3R42412+C191517VD2图5-4 快速光耦6N137输入、输出延时时间的测试电路
3．驱动电路的输入、输出延时时间测试
按图5-5连接电路，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。
toff=
PWM波形发生器S1+5V断通R14MOSFET+5VS1S2+15V断RP7通断2R2R310通R5▽5556R221S2C1C2通断5311R16537+-8∞+11131614R6R7R8201918R3R42412+C191517VD2图5-5驱动电路的输入、输出延时时间测试
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
按图5-6连接电路，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。
PWM波形发生器S1+5V断通R14MOSFET+5VS1S2+15V断24R61614R7R820191823C22226R9+C191517VD22141VD3R102VD1R3L1R22527RP主回路7通断25321S2通断245R3R4812R2R310通R5R1SV+断▽5556R2311R167+-∞+1113通3RPC1C2图5-6 电阻负载时MOSFET无并联缓冲时的开关特性测试
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
按图5-7将反压环节接入实验电路，测试方法同上，并与无反压时的开关过程相比较。
PWM波形发生器S1+5V断通R14+5VRPMOSFETS1S2+15V断24R61614R7R82019182212R4R9+C191517VD2214263RP23C21VD3R102VD1R3L1R22527主回路7通断25321S2通断245R38R2R310通R5R1SV+断▽5556R2311R167+-∞+1113通C1C2图5-7 MOSFET有栅极反压时的开关特性测试
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=1.2kΩ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。
注意：
1．每一步实验完成后要断开所有开关；
2．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。
9．IGBT主要参数测试
（1）开启阀值电压VGS（th）测试
按图5-8连接电路，并将主回路电位器RP左旋到底。
接通主回路开关S，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）。
VGS（th）= V
（2）跨导gFS测试
按图5-9连接电路，将RP左旋到底，其余接线同上。
接通主回路开关S，将RP逐渐向右旋转，在ID=0.1～0.6A的范围内，读取ID与对应的VGS值，测量5-6组数据，填入表5-3。
表5-3
ID（mA）
Vgs（V）
mA
A
mA
IGBT19IGBT19IGBT191814VD2R7主回路R11C22L1R2SV+断1418VD2R7主回路R11C22L1R2SV+1418VD2R7主回路R1SR2V+断1C22V通断1720通L1通17203VD1R317203VD1R3VD1R33RP44RP4RP图5-8 开启阀值电压测试电路图 图5-9 跨导测试电路图 图5-10 导通电阻测试电路图
（3）导通电阻RDS测试
按图5-10连接电路，接通图回路开关S，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5-4。
表5-4
ID（mA）
Vgs（V）
10．EXB840性能测试
（1）输入输出延时时间测试
按图5-11连接电路，接通PWM电路的开关S1、S2和IGBT电路的开关S1、S2，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=
PWM波形发生器S1+5V断IGBT+5VS115断24R1R214&66VD1117通+5V5&&+5814VD2R7C110189通断S2+18V19通通R14RP715556R221S2C1C2通断53123R34EXB8403+9+1R412R51317C22015R6162图5-11 EXB840输入输出延时时间测试电路
（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“6”与“7”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
按图5-12连接电路，主回路电位计RP左旋到底，用示波器观察“12”与“17”之间波形，接通PWM电路的开关S1、S2和IGBT电路的开关S1、S2，将主回路电位计RP逐渐向右旋转，边旋转边监视波形，一旦该波形正压消失时即停止旋转，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。
PWM波形发生器S1+5V断IGBT+5VS115断24R1R214&66VD11014VD2R71C2+9+15815R6164R512133RP21720VD1R3L1R2C19通断18S2+18V19通通R14RP主回路R1SV+断715556R221S2C1C2通531247通EXB8403R411通3R3+5V5&&+断2图5-12 EXB840过流阀值电压测试电路
11．开关特性测试
（1）电阻负载时开关特性测试
按图5-13连接电路，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。
PWM波形发生器S1+5V断IGBT+5VS115断24R1R214&66VD11014VD2R71C2+9+15815R6164R512133RP21720VD1R3L1R2C19通断18S2+18V19通通R14RP主回路R1SV+断715556R221S2C1C2通531247通EXB8403R411通3R3+5V5&&+断2图5-13 IGBT电阻负载时开关特性测试电路
（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。
12．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。
五、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．绘制转移特性曲线ID＝f（VGS）。
3．计算ID＝4A是的RDS。
4．绘出MOSFET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。
5．绘出MOSFET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。
6．绘出MOSFET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。
7．绘出MOSFET栅源极电容充放电电流波形，试估算出充放电电流的峰值。
8．根据所测数据，绘出IGBT的主要参数的表格与曲线。
9．绘出EXB840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。
10．绘出所测IGBT的负栅压值与过流阀值电压值。
11．绘出IGBT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。
12．绘出IGBT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。
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？
4．消除MOSFET高频振荡的措施与效果有哪些？
5．试对由EXB840构成的驱动电路的优缺点作出评价。
6．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？
7．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。
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