实验三 IGBT管的驱动、保护电路的测试及直流斩波电路、升降压电路
的研究（4～6学时）
一. 实验目的
1. 熟悉直流斩波电路及升、降压电路的工作原理。
2. 掌握IGBT器件的应用。驱动模块EXB841电路的驱动与保护环节的测试。 3. 掌握 脉宽调制电路的调试及负载电压波形的分析。
二. 实验电路及工作原理
（一）实验电路见图3-1
图3-1 IGBT 直流斩波电路(单元3)
（二）实验电路的工作原理见《自控系统》第四章4.7.1节及CIA多媒体光盘动画 1. 直流斩波电路
220V单相交流电经整流变压器TR，降为50V交流电，再经桥堆B及滤波电容C5、C6后，变为直流电，其幅值在45V～70V之间，视负载电流大小而定。
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直流电路的负载为110V、25W白炽灯（或220V 25W白炽灯），如今以绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为开关管，来控制直流电路的通、断，以调节负载上平均电压的大小。这就是一个直流斩波电路。
2. IGBT管的驱动和保护电路 （1） IGBT管
IGBT管是一个复合元件，它的前半部分类似绝缘栅场效应管（是电压控制型，具有输入阻抗高的优点），后半部分类似双极晶体管（具有输出阻抗小、导通压降小、承受电流大的优点）。它兼有场效应管和双极晶体管的优点，因而获得日益广泛的应用。
在图3-1中，G为栅极，C为集电极（又称漏极D），E为发射极（又称源极S）。 （2）IGBT的驱动电路
如今以EXB841模块为例，来介绍IGBT驱动电路的工作原理。
EBX841型模块可驱动300Α/1200V IGBT元件，整个电路信号延迟时间小于1μs，最高工作频率可达40～50kHz。它只需要外部提供一个+20V的单电源（它内部自生反偏电压）。模块采用高速光电耦合（隔离）输入，信号电压经电压放大和推挽（射极跟随）功率放大输出，并有过电流保护环节。其功能原理图如图3-2所示，接线图如图3-3所示。
对照图3-2和图3-3可以看出，15脚接高电平（+5V）输入，14脚输入控制脉信号（输入负脉冲，使光电耦合器导通），光电耦合信号经电压放大器Α放大，再经发射极跟随功率放大后，由脚3输出，经限流电阻RG送至IGBT的栅极G，驱动IGBT导通工作。稳压管VST1、VST2为栅极电压正向限幅保护。集成模块中的电阻R′和稳压管VST′构成的分压，经1脚，为IGBT的发射极提供一个反向偏置（-5V）的电压，由于UGE = VG-VE，因此发射极电位VE的提高，相对
UGE来说，为反向偏置。若VE =5V，VG =0，则UGE =-5V<0，G-E结处于反偏。这是由于IGBT为电
压控制型器件，截止时容易因感应电压而误导通，所以通常设置一个较高的反向偏压（-5V），使IGBT提高抗干扰能力，可靠截止。
0V）。 1脚还外接反向偏置电源的滤波电容和发射极的钳位二极管VD（使发射极电位不低于2
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图3-2 IGBT 驱动模块EXB841的工作原理图
（3）IGBT的保护电路
Α．过电流保护
当集电极电流过大时，管子的饱和电压UCE将明显增加，使集电极电位升高，过高的集电极电位将使二极管VD1截止，它作为过电流信号，送至6脚，通过模块中的保护电路，会使栅极电位下降，IGBT截止，从而起到过电流保护作用。
此外，当出现过电流时，5脚将输出低电平信号，使光电耦合器LE导通（见图3-3），输出过电流保护动作信号（送至显示或报警或其他保护环节）。在图3-1中，是在R2与LE间，串接一发光二极管LED，作为过电流显示。
模块中的4脚用于外接电容器，（可接0.47μF电容器至地）以防止过电流信号误动作；但绝大多数场合，可以不用，所以在图3-1中即未采用。
图3-3
B．限流与限幅保护
图3-3中RG为栅极限流电阻，对6Α /500V元件，取RG=250Ω。
图3-3中VST1为栅极正向限幅保护，VST1稳压值为14V～15V（因EXB841输出高电平电压为
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14.5V）。
VST2稳压值为-5V（因为EXB841输出低电平电压为-4.5V）。 图3-3中 VST2为栅极反向限幅保护，
（4）EXB841为15脚模块，模块中其他脚号为空脚，故未标出。
3. 脉冲宽度调制器采用由555定时集成电路构成的多谐振荡器（占空比可变，而频率不变），并经。调节电位器RP，即可调节脉冲宽度。由〈电子技过射极跟随器V2、R10输出（以提高带载能力）术〉可知： （１） 脉冲周期
Ｔ＝０.７（Ｒ５＋ＲＰ＋Ｒ4）Ｃ4
＝０.７×（０.６２＋４.７＋０.１５）×０.２２ｍｓ ＝０.８４ｍｓ
脉冲频率ｆ＝１／Ｔ＝１／(0.84×10)Ｈz≈１２００Ｈz
（２） 脉宽调节范围
〕Ｃ４ tω＝０.７〔Ｒ５～（Ｒ５＋ＲＰ）
-3
＝０.７〔０.６２～（０.６２＋４.７）〕×０.２２ｍｓ
＝（０.１～０.８２）ｍｓ
（３） 占空比
ｑ＝０.１／０.８４～０.８２／０.８４＝１２％～９８％
４. 为了使脉冲调制器输出低电平时，V１能可靠截止，因此在V１的基极处 加一个由＋５Ｖ和－５Ｖ电源及Ｒ６、Ｒ７构成的负偏置电路。
ＶＤ６为V１基极反向限幅保护。
三. 实验设备
1. 亚龙YL-209型实验装置单元3。
2. 电源：＋２０Ｖ、＋５Ｖ、－５Ｖ三组。接实验装置下方直流电源。 3. 示波器 4. 万用表 5.变阻器
四. 实验内容与步骤
（一）直流斩波降压电路
1. 直流斩波降压电路如图3-1所示。对照图3-1，完成直流斩波降压电路连线。 2. 将（+20V、+5V、-5V）接入线路板相应电源插口。注意电压＋、－极性不可接错。
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3. 测量各电压的幅值是否正确。
4. 用示波器和万用表测量主电路（50V整流电路）输出电压的幅值和波形。 5. 调节RP，用示波器测量脉冲的宽度和幅值，观察他们的变化，并作记录。
6. 在脉冲信号电压及主电路电压（幅值与波形）正常的情况下，接上负载（灯泡）及脉冲输入信号。 7. 使占空比为50%上时，测量负载平均电压UL的幅值与波形，并测量IGBT管UCB和UGE数值。 8. 使占空比分别为15％、30％，最大（98％）时，重复步骤７，即再测UL、UCB、UGE的数值。 （ 二）验证EXB841驱动模块的保护功能。
，观负载电压最高时，将二极管ＶD1至IGBT管集电极的连线断开（设置人为IGBT过载信号），并作记录。 察保护电路工作情况（测量负载电压及UGE、UCE电压）
五、实验报告要求
1. 整理记录直流斩波降压电路在占空比分别为15%、30%、50%、98%时负载平均电压UL的数值与波
形和IGBT管UGE、UCE数值。 2. 分析EXB841驱动模块的过流保护作用。
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