GTR驱动与保护电路研究.doc

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1、GTR驱动与保护电路研究实验二、GTR驱动与保护电路研究 一、实验目的1、掌握电力晶体管（GTR）的工作原理及特性；2、掌握电力晶体管（GTR）的驱动电路的特点及调试方法。二、实验原理及实验线路电力晶体管也称巨型晶体管（Giant Transistor，简称GTR），这是一种双极型大功率高反压晶体管。它具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点.近年来，由于GTR实现了高频化、模块化、廉价化，因此被广泛用于交流电机调速、不停电电源和中频电源等电力变流装置中，并且将在中小功率应用方面取代传统的晶闸管.（1）驱动电路原理驱动电路种类繁多,复杂程度各异，性能也有所不同。这里通过图

2、337的例子来说明光耦合驱动电路工作原理.当控制电路信号输入端A为高电平时，Vt导通。光耦合器的发光二极管流过电流，使光敏二极管反向电流流过V2基极，V2导通，V3截止，V4和V5导通，V6截止。V5的发射极电流流过R5、VD3，驱动电力晶体管V，使其导通,同时给电容C2充上左正右负的电压。当A点由高电平变为低电平时,V1截止，光电耦合器中发光二极管和光敏晶体管电流均为零，V2截止，V3导通，V4和V5截止，V6导通。C2上所充电压通过V6、V的e和b、VD4放电，使V截止。下面对该驱动电路中的一些细节再作进一步分析. 图3-37光耦合驱动电路图加速电容电路 当V5刚导通时,电源E通过R4、V

3、5、C2、VD3驱动V，R5被C2短路。这样，可以实现驱动电流的过冲，并增加前沿陡度，加快开通.过冲电流幅值可为额定基极电流的两倍以下。C2称为加速电容。驱动电流的稳态值由电源电压E、R4和R5决定，选择R4+R5的值时，应保证提供足够大的基极电流，使得在负载电流最大时电力晶体管仍能饱和导通。抗饱和电路 图3-37中箝位二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成抗饱和电路,可使电力晶体管导通时处于临界饱和状态.当负载较轻使得集电极电位低于基极电位时，VD2就会自动导通,使多余的驱动电流注入集电极，维持UbcO。这样,就使得V导通时始终处于临界饱和.二极管VD2也称为贝克箝位二极管。流过箝位二极管的

4、电流是没有意义的损耗。为了减小这一损耗，可如图3-38所示，把VD2加到前级驱动管V5的基极，同时省去电位补偿二极管VD3,而用V5的发射结代替VD3。338 贝克箝位二极管抗饱和电路图不管是上述哪一种抗饱和电路，钳位二极管的一端都接在主电路电力晶体管的集电极，因而可能承受高电压，所以其耐压等级应和电力晶体管相当。除光耦合器外，驱动电路的其他元件都可选用耐压等级较低的。截止反偏驱动电路 由图中C2、V6、VS、VD4和R5构成。V导通时C，所充电压由E和R4、R5决定。V5截止，V6导通时，C2先通过V6、V的发射结和VD4放电，使V截止后，稳压管VS取代V的发射结使C2连续放电。VS上的电压

5、使V基极反偏.另外，C2还通过R5放电.可以看出，C2除起到前面所说的加速电容的作用外，还在截止反偏驱动电路中起储能电容的作用。 （2）缓冲电路在电路中的电力半导体器件关断时，由于电路中有电感存在，往往会在器件上产生很高的过电压和dU / dt，对器件的安全运行带来很大威胁。当器件是电力晶体管时，还会造成反向偏置二次击穿。为防止过电压和减小dUdt，通常设置缓冲电路。缓冲电路还可以减少关断损耗。另外,为了对器件开通时进行保护，通常设置didt抑制电路，这种电路还可以减少开通损耗并防止电力晶体管的正向偏置二次击穿.就其作用而言,didt抑制电路也可算作缓冲电路的一种。图340（A）是基本的缓冲电

6、路和didt抑制电路，图3-40（B)是开关过程集电极电压UCE和集电压电流ic的波形，其中虚线表示无didt抑制电路和缓冲电路时的波形。在无缓冲电路的情况下，电力晶体管V开通时电流迅速上升,didt很大，关断时的dUdt很大，并出现很高的过电压。在有缓冲电路的情况下，V开通时缓冲电容Cs先通过Rs向V放电，电流ic先上一个台阶，以后因有didt抑制电路上的Li，ic的上升速度减慢.Ri、VDi是V关断时为Li中的磁场能量提供放电回路而设置的。缓冲电路电阻Rs不宜过小，否则V开通时Cs的放电电流过大.在V关断时，负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制dUdt和过电压。因为关断时电路

7、中(含布线)电感的能量要释放，所以还会出现一定的过电压。 (A)基本的缓冲电路 （B）有无缓冲电路效果图图3-40三、实验内容1、光耦合器输入、输出延时时间测试；2、驱动电路的输入、输出延时时间测试;3、贝克箝位电路性能研究;4、基极反压对GTR开关特性影响研究；5、GTR不同负载时的开关特性研究；6、联缓冲电路的作用及对GTR开关特性影响研究;7、保护电路性能测试。四、实验设备及仪器1、DDS01 型电源控制屏；2、DDS16 “自关断器件”实验挂箱；3、DT14 “直流电压、电流表” 实验挂箱；4、数字示波器等.五、实验方法1。驱动电路研究（1）光耦合器输入、输出延时时间测试关闭挂箱电源开

8、关。按表16接线。表16545557712将RP1左旋到底。S4频率开关打在“通”的位置。此时,输入电阻R=150，开启挂箱电源开关。开启电源S1、S3开关。用示波器同时测量 “54和“55”,“8”和“12的波形，观察输入、输出信号延迟时间，将数据填入表17. 表17 R=150tdtftontstrtoff10ns490ns 500ns300ns200ns300ns调节RP1，此时输入电阻R=RP1+150 ，观察输入、输出波形变化。将“5和“6用导线连接，即将加速电容C2并接，观察输入、输出信号延迟时间,将数据填入表18。表19tdtftontstrtoff200ns 125ns325n

9、s1000ns9000ns10000ns注：td ： 表示输入输出的开通延时tf ： 光耦开通时的波形下降时间ton： 光耦导通时间ts ： 光耦关断延时时间tr ： 光耦关断时的波形上升时间(2）驱动电路的输入、输出延时时间测试关闭挂箱电源开关。拆除原接线。按表20接线。将“主电源电路旋钮右旋到底;将RL“负载调节” 右旋到底。开启挂箱电源开关。开启“主电源电路”电源开关。表20545567551314101416181219127225150182320用示波器同时测量“54”和“55”,“17”和“19，记录信号的输入、输出延时时间td=4。8微秒。用示波器同时测量“9”和“17，“17

10、”和“19的波形.记录波形.（3）基极反压电路对GTR开关特性影响研究关闭“主电源电路”电源开关。恢复“16”和“18”的连接。拆除“12”和“19的连接，将“11和“19”连接.开启“主电源电路”电源开关。用示波器观察Vbe、Vce的波形变化;然后，再关闭“主电源电路”电源开关。断开“11”和“19”连接,恢复“12”和“19的连接。开启“主电源电路电源开关.用示波器观察Vbe、Vce的波形变化,评估基极反压电路对GTR开关特性影响。图341实验线路图2GTR不同负载时的开关特性研究(1）电阻负载关闭“主电源电路电源开关。将RL右旋到底。拆除“12和“19”,“23”和“20的连接。将“12

11、”和“21”，“23”和“21”连接。开启“主电源电路”电源开关.用示波器观察Vbe（“17”、“21”端）Ie（“20”、“21”端)的波形,按时序记录Ube、ie的波形，标注GTR开关时间 ton、td、tr、toff、ts、tf。 ton=2.25s、td=0。05s、tr=2.20s、toff=500ns、ts=100ns、tf=400ns六、实验报告a） 画出不同负载时的GTR开关特性图，按时序标注开关时间。答：GTR的开通和关断过程电流波形ton: 表示开通时间= td： 延时时间+ tr:上升时间td: 表示延时时间tr： 表示上升时间toff： 表示关断时间= ts：储存时间+ tf：下降时间ts： 表示储存时间tf: 表示下降时间b) 试分析缓冲电路对GTR开关特性的影响。答：缓冲电路可以减少开关的反应时间，减少开关的损耗，避免电流过大引起的较大误差。c) 简述GTR对驱动电路的要求，请设计一个GTR驱动电路。答:GTR的过载能力较低，需要对其进行保护以免损坏电路；同时，GTR基极驱动电路些许学习学习需要加速开通，采用浅饱和方式维持导通d) 实验分析总结本次实验学习了典型的GTR驱动电路和缓冲电路。了解了驱动电路和缓冲电路的相关知识，明白了其中的注意点,了解信号的输入输出，把 ton、td、tr、toff、ts、tf各项指标都测量出来，分析相关的波形。