1 绪论
1.1 电力电子的发展与应用
从上个世纪开始，电力电子技术就开始出现并发展了。从开始的不成熟阶段，晋级到半成熟的阶段了，需要探索和研究的领域还有很多，需要大量的人才投入其中。这方面涌现的科学家也是越来越多，并不断地推动着电力电子向前发展。这个领域里还有很多的空白，尤其是在电力电子器件的研制和应用上，更是缺乏创新和开拓。半导体学科所研究的功率越来越小，电力电子学科研究的功率正相反，即越来越大。电力电子技术不仅在工业经济发展上起到节能的重要作用，同时还促使工业的经济发展的向机电一体化的模式进展。
随着电力电子技术方面的人才，在这个领域中不断地探索研究，不停地推动着电子技术向前发展，先后经历了好多跨越性的时代，研发地电子器件也是越来越多，应用到的电路亦是层出不穷，不论是在未来预言中，还是在对目前研究工作的进行中，都是时刻在出创新。在电子技术经历过这些跨越性的时代后，越是发育得越来越成熟，接触并学习这门技术的人亦是日益剧增，人群的力量是无穷的，尤其是在脑力开发方面。时代在召唤，创新在不断涌现，在电力电子的技术领域里人类所取得的成就越来越多，越来越有价值，其中MOSFET和IGBT的问世，更是能表明我们已于旧时代跨身到了电子技术的新时代了。相信在不久的将来，由一个划时代的研究发现能引领社会走上先进的时代中。
如今的世界都是工业强国，各国都争先恐后的发展自己的工业经济。只要工业经济得到发展，这个国家的实力就能得到加强。说到发展工业经济，那靠的还是科技水平的先进。再者，电力电子技术在科学技术中独占一席之地，在科学水平中有很大的占比，所以发展电力电子技术就会提高科学技术水平，从而加快工业经济的发展。工业经济的发展离不开电力电子技术，电子器件可以对工业生产过程起到控制作用，并可以更加高效地完成工业生产。另一方面，电子器件更是可以为工业节省能源，减少成本。所以，电力电子技术有着非常广阔的前景，技术研发的空间还很大。
总之，电力电子技术具有很高的开发价值和和广阔的发展前景，包含了信息、智力、知识等等，实用性很高，有很广的应用范围，大部分的电子产品都必须应用电力电子技术，与此同时，电力电子技术也有着很高的节能高效的作用。这门技术一定会得到不断地发展，也会节约无限的工业资源，促进国民经济的发展，在国民发展中起着无可替代的作用。
1.2 电力电子实验教学的背景和发展现状
在学校开设的电力电子的这门学科中，教师在实验室授课时，通常会安排一些验证性的实验。通过安排这些实验，让学生更为直接的对课本上的理论知识得到理解和加深；另一方面，可以加强学生们动手的能力，学会该如何下手解决问题，对学生基本知识的掌握，动手能力的训练和下手解决问题起到了综合的作用。实验教学过程中，老师会协助学生们解决不能解决的问题，讲明学生不能明白的实验原理，让学生更为透彻地参与试验，并收获知识。同时，也加强了独立上手完成实验的能力，提高学生们对实验课的热爱情绪，更有兴趣参与实验。
在进行实验技能训练时，实验内中中包含的验证性实验，要求学生通过改变实验电路中的开关频率、电路参数及负载大小等方式得到不同的实验结果，并对结果能做出理论性的解释和熟悉。对于理论理解会比较抽象，你要是光凭脑袋想，即使想出来，理解了，也要费好的力气，不如在实验课上上手做做实验，这样能更加直接的了解到电路原理，化抽象为具体，实验为学生展示了直观的效果。
学生出来参与完成实验教学中的任务，还可以自己进行拓展，自主设计实验电路，验证一些课外的实验，来把自己的知识层面扩宽，满足自身的兴趣和求知欲望，同时还能带动其他同学参与其中，大家一起学习，共同进步。
电力电子学科具有很强的研究性和实践应用性，而实验教学绝对是培养联系理论、发散思维、谨慎的科学态度的重要手段，因此，需要挑选基础性并具有学习价值的试验项目来进行实验教学，提高学生的学习效率。
电力电子实验授课的内容中，根据学科特点和课堂授课进度组织实验教学。在实验教学的课时相对其它学科的课时较少和实验室教学设备较先进的情况下，考虑到学生的课余时间比较充分，可以采用以课题的形式和课内课外相结合的方法开展实验教学，满足实验教学计划的情况下，开展多种形式的实验内容，可以结合，可以独立。
要求学生以小组的形式开展实验，在此基础完成基础型和设计型实验。做好关键的课题选取工作，同时把理论知识与时间技能结合起来，把握好课题的难以，以老师为主导，学生为主体的模式下，让学生能在一定时间内独立完成。结合学生现场的实验进度，划分小组，老师可在自由结组后，适当地进行调整，使小组成员能互助合作，取长补短，相互督促，在规定时间内完成课题任务。
1.3 课题的目的和意义
随着各专业课程数量和课时的增加，实验教学课时进一步被压缩，使实验的数量和实验的类型收到了严重的制约，一些同学觉得实验课比较枯燥，在没有对课本知识熟悉的情况下，普遍以应付的心态去完成实验，出现问题无法主动去分析和解决，甚至以抄袭的方式来完成实验报告，以至于实验教学的效果不太理想。
针对以上的一些问题，为了让学生能了解实验本身的工作原理，熟悉实验操作；为了使实验教学达到更好的效果，学校组织各个指导老师对学生分布任务，这些任务需要学生动手接触实验设备去完成，督促学生自主去实验室做实验，主动去课本上上学习实验设计到的知识，与此同时，学生不仅补上了之前欠缺的知识，并得到了动手能力的训练。
本次课设内容包含的知识层面比较广，需要学生多多的收集相关资料，并主动去实验室做实验来验证得到实验结果和实验数据。让学生在多个层面受到锻炼，达成学校所要求的大纲上的条件。
在设计的方法上，本着河北科技大学在科研成果方面的优势，借鉴厂家成熟的生产技术的思路，在对国内外已有的同类实验教学产品的特点进行充分调研的基础上，确定自主研究设计本试验品台的主要电路核心板块，同时，对原有的实验室试验台的电路进行升级改造。
在指导老师的指导下，采取切合实际的措施，能极大地激发学生的动手研究设计的热情，培养学生思考问题、解决问题的能力；同时，收到毕设任务的学生更会主动的去研究理解电力电子实验电路的原理，抛弃懒惰，学会勤快，并能独立动手解决问题。
2 电力电子试验台部分电路工作原理和设计原则
2.1 电力电子试验台部分电路组成
如图1所示，电力电子实验平台由不同的功能模块组成，功能模块按照功能可划分为5个部分；电源部分、过压过流保护部分、实验电路部分、晶闸管电路部分和负载部分。
图1 电力电子试验台各电路模块
2.1.1 电源部分
电力电子试验台电源部分包含220V交流电和另外一些不同电压值的直流电源，因此提供一个安全可靠的电源时设计实验台部分电路的初步工作。
2.1.2 过压过流保护部分
过流保护电路和过压保护电路共同组成保护电路，防止电路中出现过流过压现象导致电路元件的损坏，甚至危害人身安全。
2.1.3 实验电路部分
主要包括三个触发电路：一个是研究单结晶体管的工作特性；一个使研究怎么产生并且可以移相的正弦波的；另一个使研究怎么产生锯齿波的；这个也得能移相。
2.1.4 晶闸管部分
晶闸管部分由多个晶闸管串联或并联组成，为通过负载前的电流做滤波稳流等作用。
2.1.5 负载部分
负载部分主要是三相变阻器，做实验电路的负载。
2.2 电力电子实验台部分电路中的应用元件及元件的工作原理
2.2.1 单结晶体管
1.结构
如图5所示，单结晶体管只有一个PN结，e是从P型半导体上引出的电极，b1和b2都是从N型半导体引出的电极。单结晶体管的等效电路如图5（b）所示，rb1的数值会随发射极电流IE变化，于是在图中用可变电阻来表示，rb2表示e极与b2极之间的电阻，它的数值是固定的，和IE没有关系。Rbb是b1极与b2极之间的电阻，可得出rbb=rb1+rb2。集电极与基极之间可以等效为一个二极管，因为同样具有一个PN结，它的正向导通压降为0.7V。
2.工作特性
如图6所示，在单结晶体管的两个基极上加上直流电源VBB，b2极接电源正极，b1极接电源负极，rb1上的电压值VA与电源电压VBB的关系为：
VA=rb1VBB/（rb1+rb2)=ηVBB 其中η为分压比，0.3<η<0.8。
图5 图6
e极和b1级之间加上电压VE，当电压值不同时，单结晶体管的工作状态也不同，如图6所示。
1 当VE
2 当VE=VD+VA（VD为二极管的正向压降），单结晶体管承受正向电压，并且导通，单结晶体管导通后的过程可表示为：IE ↑—rb1 ↓— VA↓ — VE=VD+VA↓。
3 VE下降到VV之后，慢慢地一点一点地调节VE，让它的值变得大一些，这个时候只看见e极电流增加，但另两一方面，e极电压略有上升的幅度不大，这个管子饱和导通。
4 若减少发射极电压VE使VE
2.2.2 普通二极管
图7 二极管
如图7所示为二极管的电路标志。PN结是二极管的主要起作用的部分，两者的特性相同，都为单向导电性，我们以往都通过其伏安特性曲线来观察工作特性。
如图8所示，在管子的正向方向上通上正向电源的电压，虽然我会把这个电压弄得非常小，但是我肯定要让这个管子导通的，它通了之后，电流会很小，快到0了，也就是进入死区了，这时候我把这个电压测出来，起个名字，就叫作死区电压，同学说也可以叫做门槛电压。
二极管在什么情况下会迅速变小，经专家测量鉴定，只有在管子正向导通电压超过了门槛电压地时候才会实现。硅管导通电压0.7V，锗管为0.3V。
如果我在管子正向加上电压并不断加大电压时，在某一刻，管子会被击穿，通过地电流也是急剧变大，在那一刻击穿时候地电压就是击穿电压。
图8 普通二极管的伏安特性曲线
2.2.3 稳压二极管
图9 稳压二极管的伏安特性曲线和电路标志
如图9所示，从一些相关资料上我了解到关于这个稳压二极管的结构和原理，从名字上我们就能判断出它的功能使稳定电压，在电路中起到控制或者保护的作用。另外它叫稳压二极管，当然就会有普通二极管相同的特性，即单向导电性。但是从名字里面判断不来的就是当它被击穿时（并不是彻底击穿），通过管子的电流会突然变大，电阻反过来，会突然变小。继续加大电压，到某一数值的时候，管子就会彻底击穿，烧坏不用继续使用了。
2.2.4 三极管
如图10、11所示，我们就可以看到普通三极管的外形和里面的结构了，效果图片中很直观的展现了管子具有两个重叠的PN结和三个电极。
图10三极管外形及内部结构 图11 三极管内部结构
管子地两个电结是不可以分开的，分开就不能实现那种功能了，被分成的三个区域，叫发射区、集电区、基区，然后引出来三根极为e、b、c。
图12 三极管分类
如图12所示，普通管子分为P型和N型。P型基片是P型半导体，两边的部分是N区。N型基片是N型半导体，两边的部分为P区。这两种管子地工作特性相同，不同的是外部条件。
工作原理：这种管子有三种状态，截止、饱和、放大，它的动作状态需要一定的外部要求。
放大区的电位条件：NPN型：Vc>Vb>Ve ; PNP型:Vc
三极管要工作在放大区时，NPN是B→E的电流（Ib）来控制C→E的电流（Ic）；PNP是用E→B 的电流（Ib）控制 E→C 的电流（Ic）。
2.3 实验电路工作原理
2.3.1 电源部分
实验电路中直流电源部分由隔离变压器、整流桥和滤波三部分组成。进线为220V交流电，经过隔离变压器的隔离、降压，可提供输出相电压为15V、75V和90V等几种选择，为实验提供与电网隔离的不同交流电压电源。
图2 隔离变压器
一、隔离变压器原理及应用
基本原理：根据变压器的变比公式：U1/U2=N1/N2;I1/I2=N2/N1，有这个公式，我们可以算出来，N1/N2=1:1时，进去和出来的电压电流都是相同的。
作用：安上隔离变压器就要利用它的隔离作用，另外还可以降压或避免谐波浪涌。当隔离器线圈连上大地的时候，人触碰到漏电的位置就会触电，而且会很危险。但是如果线圈不连大地，就不会有电位差，人触碰不会触电，安全的不要不要的。
二、直流电源部分
进线交流电压经隔离、降压，再经过桥式整流、绿波模块，得到约直流电压。另外，还有直流电源模块，可提供以0V为参考端的±15V的两路直流电源。可外加熔断器模块，用于电路的过流保护。
图3 直流供电电源电路图
如图3所示，我们为了得到直流电流，特意在交流电源上应用了逆变电路，这样就能得到我们所需要的电流了。
逆变电路工作原理：引入这种电路就是为了要另一种符合要求的交流或直流电，此电路正好能实现这样的变换，其中的整流桥、电阻、电容都起着很神秘的作用，也就是滤波，
2.3.2 过压过流保护部分
因实验过程中负载的功率不一样，使得输出的电流可能会很大，所以必须设计过压过流保护电路。下图电路可断开负载给出故障指示。
图4 过压过流保护电路
首先我先简称555为5芯片，电路工作的时候，5芯片处在复位状态，它内部的管子会导通，电流流过T3的b极后，它便导通了，负载这会儿也不能闲着，接受到电流开始工作，但是当它就受到过量的电流后，Rsc两边的电压也会变大，这时候，T1管子也通了，5芯片被唤醒，内部管子关闭，T3也关闭，电源就被断开了，这时5芯片在一个很稳的状态，某一时刻就被终结，这时如果负载还是会接受过量电流，那么5芯片又会重新被唤醒，T3关闭，电源断开。
当负载上出现过压的现象时，通过R4、R5、D1使Tr2导通，同时555也会被触发，Tr3则继续将负载隔离。
如果出现过流过压现象，555③脚均将输出高电位，然后LED发光，表示负载处于隔离状态。由于Tr3或者处于饱和，或者处于截止，因此只用一只功率晶体管便可工作。
2.3.3 单结晶体管触发电路
图13 单结晶体管触发电路
图中V3为单结晶体管，V1与V2组成两级放大电路，C2与V3充放电，脉冲变压器输出脉冲，电位器可以调节充放电的时间常数。
工作原理：由同步变压器二次侧输出60V的交流同步电压，经VD1-VD4组成的半波整流桥，再由稳压管V1、V2进行波形消弱，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7及等效可变电阻V2向电容C2充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压Up时，单结晶体管V3导通，电容通过脉冲变压器原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。同时由于放电时间常数很小，C2两端的电压很快下降到单结晶体管谷点电压Uv，使V3关断，C2再次充电，周而复始，在电容C2两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。在一个梯形波周期内，V3可能导通、关断多次，但只有输出的第一个触发脉冲对晶闸管的触发时刻起作用。充电时间常数由电容C2和等效电阻等决定，调节RP1改变C2的充电时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制。
2.3.4 正弦波同步移相触发电路
电路的前半部分为同步移相部分，这部分为触发电路的初步基础部分，为电路产生正弦波，并且这个正弦波与主电路同步，包含了各种电阻电容。各种规格的电阻电容组成的电路中，电容起到移相作用，电阻起到分压作用。又因为同步电源信号会超前可控元件90°，所以在电路中并联电容来扩大移相范围。我们可以由调节控制电压的大小来使晶闸管集电极电位高低变换的时刻提前或延迟，这样可以调节晶闸管的导通时刻。
第二部分电路起到脉冲放大的作用，其中包含的乱七八糟的各种规格的元件，可以保证电路能够输出足够脉宽的脉冲，咱也不瞎整，这脉冲肯定符合标准。电路中是利用了多级放大电路来叠加放大信号的。通过调节电位器RP来调节电容的放电时间常数，同时也是改变了正反馈的速度。最后信号会通过脉冲变压器输出，但是输出值没有输入值大，但是电流大，能耐大，能使晶闸管导通。
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