《新能源汽车电力电子技术》教案第4课认识绝缘栅双极晶体管.docx

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1、课题认识绝缘栅双极晶体管课时2课时(90min)教学目标知识目标：(1)掌握绝缘栅双极晶体管的结构、工作原理和主要特性。(2)了解绝缘栅双极晶体管在新能源汽车上的应用。技能目标：能测试绝缘栅双极晶体管的特性。素质目标：(1)具有一定的沟通能力和团队意识。(2)树立民族自尊心、自豪感和文化自信。(3)养成安全、规范、高效完成工作的职业习惯。教学重难点教学重点：绝缘栅双极晶体管的结构、工作原理和主要特性教学难点：绝缘栅双极晶体管的工作原理和主要特性教学方法讲授法、问答法、讨论法、实践教学法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】使用APP进行签到【学生】班干部报

2、请假人员及原因任务导入【教师】展示“IGBT的电气图形符号”图片(详见教材)，讲述“任务导入”的相关内容在日常行驶时，新能源汽车的工作电流会高达上百安，而用于精确控制驱动电机输入电流的关键电力电子器件就是绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)。在新能源汽车尤其是纯电动汽车中，IGBT是除动力蓄电池外最昂贵的部件。IGBT可分为N沟道型和P沟道型两种，其文字符号常用Q表示。【学生】观看、聆听、理解、记忆【教师】提出问题，随机邀请学生回答仔细观察图片，N沟道型和P沟道型的电气图形符号有什么区别?【学生】观察、聆听、思考、回答传授新知【教师】总结学

3、生回答，讲解新知IGBT是以电力晶体管(gianttransistor,GTR)为主导元件似金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfield-effecttransistor,MOSFET)为驱动元件构成的复合型半导体器件。其中，GTR饱和电压低,载流密度大，开通电阻小，开关速度较低，但驱动电流较大，驱动电路复杂；MOSFET输入阻抗高,开关速度快，所需驱动功率小且驱动电路简单，但开通电阻大。IGBT作为复合型半导体器件，同时具有高输入阻抗和低开通电压两方面的优点。目前，IGBT主要应用于变速电机、电力系统、开关电源、新能源汽车等产品中。【教师】扫码播

4、放IGBT的检测”微课视频(详见教材)，展示“N沟道型IGBT的内部结构”图片(详见教材)，讲解新知1.3.1IGBT的结构N沟道型IGBT的顶部N层称为源区，从源区引出IGBT的发射极E(也称源极)；顶部栅区通过一层氧化膜与源区实现电气隔离，从栅区引出IGBT的门极G(也称栅极)；N基极称为漏区；底部P+层称为漏注入区，它是IGBT特有的功能区，与P+基极和漏区一起形成PNP型双极晶体管，从漏注入区引出IGBT的集电极C(也称漏极).漏注入区向漏极注入空穴，可进行电导调制，从而降低器件的通态电压。【教师】提出问题，随机邀请学生回答IGBT的结构与晶闸管有哪些异同?【学生】聆听、思考、回答【教

5、师】总结学生回答，讲述点拨”的相关内容IGBT由于栅区与源区之间的氧化膜很薄，其击穿电压一般为2030V,因此门极击穿是造成IGBT失效的常见原因之一。【学生】聆听、思考、理解、记忆在实际应用中，一般所说的IGBT并不是指IGBT单管，而是指IGBT模块.它是由多个IGBT和二极管芯片组以绝缘方式组装到金属基板上，并通过特定的电路封装而成的。相较于IGBT单管，IGBT模块主要有以下优点。(1)IGBT模块的额定电流更大。(2)IGBT外部电路连接的复杂性减少。(3)IGBT模块的工作更可靠.(4)IGBT模块电路布局更好，引线电感更小。(5)IGBT模块更适合高压和大电流的场合。1.1 .2

6、IGBT的工作原理【教师】展示“IGBT的理想等效电路”图片(详见教材)，讲解IGBT的工作原理当在IGBT的门极和发射极之间施加正向电压Uge,且Uge大于开启电压UGEM时，MOSFET内形成导电沟道，为晶体管Vji提供基极电流，此时IGBT开通.当在IGBT的门极和发射极之间施加反向电压Uge或不加电压时，MOSFET内的导电沟道消失，晶体管5的基极电流被切断，此时IGBT关断。因此，IGBT是电压控制型器件。【教师】讲述“点拨”的相关内容由于IGBT存在电导调制效应，因此当IGBT开通时，基区扩散电阻Rn将会减小，通态电压降也会减小。【学生】聆听、思考、理解、记忆13.3 IGBT的主

7、要特性1 .静态特性【教师】展示“IGBT的静态特性曲线”图片(详见教材)，讲解IGBT的静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性和转移特性两种。1 )伏安特性IGBT的伏安特性是指以门极电压UGE为参量时，集电极电流IC与集电极-发射极电压UcE之间的关系.从图中可以看出，IGBT的伏安特性曲线分为饱和区、有源区、正向阻断区和反向阻断区。在有源区内，门极电压越高,集电极电流越大。2)转移特性IGBT的转移特性是指集电极电流IC与门极电压UGE之间的关系。当门极电压UGE小于开启电压UGE(Ih)时，IGBT处于断态。而在IGBT开通后，集电极电流IC与门极电压UGE近似成线性关系。【教师】提

8、出问题，随机邀请学生回答伏安特性与转移特性有哪些异同？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲述“点拨”的相关内容在实际应用中，最大门极电压受最大集电极电流限制，并不会无限制增大，其最佳取值一股为15V左右.【学生】聆听、思考、理解、记忆2 .动态特性【教师】结合“IGBT的动态特性曲线”图片(详见教材)，讲解IGBT的动态特性IGBT的动态特性又称开关特性，分为两大部分：一是开关速度，主要指标是开关过程中各部分的时间；另一个是开关过程中的损耗。IGBT在其开通过程中，大部分时间是作为MoSFET来运行的。IGBT的动态特性主要表现在集电极电流IC.门极电压UGE和集电极-发射极电压U

9、CE的波形变化上.其中，表示PNP型晶体管由放大区进入饱和区所用的时间，称为开通延迟时间，tr表示开通上升时间，二者之和就是集电极电流开通时间Un,即t(Xon)=tr+ton；在IGBT关断过程中，td(H八表示关断延迟时间，U表示电流关断时间，二者之和就是集电极电流关断时间toff,即toff=td(off)+If.【教师】提出问题，随机邀请学生回答仔细观察动态特性曲线中的黄色曲线和红色曲线，试找出两者的共同点。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知电流关断时间又可以分为Ifii和S2两部分。其中，Im表示IGBT器件内部MOSFET的关断过程，此阶段电流减小较快；而G表示

10、IGBT器件内部PNP型晶体管的关断过程,这是因为晶体管上存储的电荷无法迅速释放，所以此阶段电流减小较慢。相应地，Uce的下降过程也分为Ifv1和g两部分。其中，lf“表示IGBT器件内部MOSFET的电压减小过程，tfv2表示IGBT器件内部PNP型晶体管的电压减小过程。【教师】讲述“点拨”的相关内容PNP型晶体管的存在虽然为IGBT带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，从而使IGBT的开关速度低于MOSFETo【学生】聆听、思考、理解、记忆1.3.4IGBT的擎住效应和安全工作区1.IGBT的擎住效应【教师】展示“IGBT的实际等效电路”图片(详见教材)，提出问题，随机邀请学生

11、回答Vi和V2分别是什么类型的晶体管？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知IGBT的内部寄生了一个NPN型晶体管，其基极和发射极并联了一个体区扩展电阻Rs,V1的横向空穴电流会在Rs上产生电压降，相当于在5的基极施加正向电压。在额定的集电极电流范围内，这个正向电压不会很大，并不能使V2开通。但当V1的集电极电流增大到一定程度后，该正向电压能令V2开通，从而促使两个晶体管处于饱和状态，相当于一个开通的晶闸管。此时，门极就会失去对集电极电流的控制，形成IGBT自锁现象，这就是擎住效应，更准确地说是静态擎住效应。动态擎住效应主要是指在IGBT高速关断时，因电流或电压下降过快产生较大

12、的位移电流。这个电流在流经RS时，产生了足以使V2开通的正向电压，从而形成IGBT自锁现象。【教师】提出问题，随机邀请学生回答这三个参数有何异同？用什么工具测量？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知2)擎住效应的危害与预防措施当有过电流流过IGBT时，可以控制门极来阻断过电流，保护器件.但自锁现象一旦发生，门极将失去对电路的控制，使IGBT无法关断，最终会导致IGBT因过电流而损坏。为了避免发生攀住效应,一般可采用以下几种措施。(1)保证IGBT的最大工作电流不超过集电极电流的临界值。(2)在IGBT集电极和发射极之间并联一个电容，从而减小IGBT关断时的dUcEdt(3)增

13、大门极电阻，延长IGBT的关断时间。【教师】讲述“点拨”的相关内容当IGBT内部的晶闸管开通时，会出现静态攀住效应；当IGBT高速关断时，会出现动态擎住效应。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。【学生】聆听、思考、理解、记忆2.IGBT的安全工作区【教师】展示“IGBT的正偏安全工作区和反偏安全工作区”图片(详见教材)，讲解新知安全工作区(safeoperatingarea,SOA)是指IGBT在不发生自损坏或性能下降的情况下，同时承受一定电压和电流而不失效的区域。IGBT的安全工作区一般可以分为正偏安全工作区(forwardbiasSafeoperaiingarea,FBSOA)

14、、反偏安全工作区(reversebiassafeoperatingarea,RBSOA)、短路安全工作区(shortcircuitsafeoperatingarea,SCSOA)0(I)正偏安全工作区是指IGBT开通时对应的安全工作区.它由集电极峰值电流Icm.集电极-发射极峰值电压UCEM和集电极-发射极峰值功耗PCM确定。其中，ICM的设定应保证不产生擎住效应，UCEM由PNP型晶体管的击穿电压决定，PCM由IGBT最高允许结温决定。IGBT的开通时间越长，发热越严重，则安全工作区越窄。如果IGBT是以脉冲形式开通，则正偏安全工作区还会增大。(2)反偏安全工作区是指IGBT关断时对应的安全

15、工作区。它由集电极峰值电流Icm.集电极-发射极峰值电压UCEM和最大允许集电极电压上升率ducidt确定。该区域表示当IGBT门极偏置电压为零或负值，而电流还存在时的关断瞬态。当IGBT截止过程中集电极电压上升率增大时，反偏安全工作区将会变小.(3)短路安全工作区是指在IGBT集电极与发射极之间处于高压状态时，突然给门极加上高压会导致IGBT发生短路的区域，此时的短路电流相当于额定电流的十倍。在短路安全工作区内，IGBT始终处于通态，此状态的IGBT的耗能是三种安全工作区中最大的，出现失效的概率也最高。【教师】提出问题，随机邀请学生回答总结三个安全工作区的特点。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答13.5IGBT在新能源汽车上的应用【教师】展示“比亚迪汽车上IGBT模块的应用”图片(详见教材)，讲解新知IGBT是新能源汽车的核心器件之一，对整车的性能有着重要的影响。新能源汽车是通过动力蓄电池、驱动电机来给车辆提供动力的，IGBT主要应用于交流充电、电力驱动等场合，具体表现在以下方面。(I)充电桩：用充电桩给新能源汽车动力蓄电池充电时，需要通过基于IGBT设计的电源变换电路将交流电变换为直流电，同时要把220V电压变换为动力蓄电池所需的电压，才能给动力蓄电池充电