汽车电工电子技术基础 课件 学习领域五：学习任务一 电力电子元器件认识与检测

学习领域五

电力电子元器件认识与检测

电子元件场效应管和IGBT被广泛应用于新能源汽车领域中。场效应管的功能相当于电路中的“继电器”，控制单元根据各传感器的信号运算后，输出相应电压信号，从而控制场效应管导通或者断开，实现控制对应电路模块。IGBT，其主要应用是将大功率直流电转化成交流电。本次学习任务通过学习场效应管、IGBT的原理，完成场效应管质量检测和搭建IGBT功率管特性的电路，分析场效应管、IGBT的工作特性和作用。学习任务1

场效应管目录CONTENTS学习任务2

IGBT1.能讲述场效应晶体管、IGBT的工作原理。2.能讲述场效应晶体管开关作用。3.能讲述IGBT的工作原理。知识目标素养目标技能目标1.能检测出场效应晶体管的质量。2.能分析与验证场效应晶体管、IGBT的工作特性。1.规范实训7S管理，养成良好的新能源汽车维修职业素养；2.培养自主学习、团队合作能力；3.崇尚劳动，形成敢创新，敢挑战，爱岗敬业的职业精神。

一辆纯电动轿车，已行驶了12万公里，因电机故障进4S店检查。通过汽车维修技师拆解，发现电机驱动电路的场效应管损坏。请你根据专业技术标准完成场效应晶体管质量和特性的检测。

新能源汽车的空调压缩机出现故障，需要对IGBT特性电路进行检测。请你按照专业技术标准，进行IGBT特性电路搭建与检测。场效应管任务1知识链接科学技术是第一生产力——邓小平场效应管的概述、结构与符号01知识点1.场效应管的概述

场效应晶体管简称场效应管，是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器，属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。2.场效应管的结构与符号图5-1-1场效应管结构

场效应管有三个电极：分别是漏极D、栅极G和源极S，如图5-1-1所示，相当于三极管的集电极、基极和发射极。场效应管与三极管类似，也分有两种：N沟道器件和P沟道器件，其主要作用是用栅极G的输入电压来控制漏极D和源极S之间的导通或截止。场效应管的工作原理02知识点1.场效应管的工作原理

以N沟道的场效应管为例说明其工作原理：场效应管的栅极没有电压输入，漏极连接电源正极，源极连接电源负极，如图5-1-2所示。此时，漏极的N型半导体材料与P型半导体材料构成了PN结的反向偏置。在源极与漏极之间不会有电流流过，令场效应管处于截止状态。图5-1-2场效应管截止

当栅极接通正电压时，如图5-1-3所示，由于电场的作用，把P型半导体内的负电子吸收出来，并且使自由电子汇集在漏极与源极之间的P型半导体附近，有利于源极与漏极的连通。最后由于漏极与源极存有电压差，电子定向流动，使源极和漏极之间有电流流动。

图5-1-3场效应管导通

场效应管的特性03知识点1.场效应管的输出特性曲线功率MOSFET的输出特性如图5-1-4所示，分为三个工作区：截止区、饱和区和非饱和区。

图5-1-4功率MOSFET的转移特性及输出特性示意图

2.场效应管的开关特性实控制应用中，场效应管一般作为电控开关来使用。如图5-1-5所示，当控制单元输出信号为高电平时，场效应管的漏极与源极导通，相当于闭合的开关，负载直接与电源接通；当控制单元输出信号低电平时，场效应管的漏极与源极截止，相当于闭合的断开，电路可以视为开路。图5-1-5场效应管的开关特性

场效应管与三极管、继电器的区别04知识点1.场效应管与三极管的区别1.场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极E、基极B、集电极C，它们的作用相似。2.三极管属于电流驱动型，其放大功能是通过基极的电流来实现的，如图5-1-6所示。场效应管属于电压驱动型，栅极电阻极大，可以视为没有电流经过，所有不消耗电流。场效应管通过电压形成一条电子通道，使漏极和源极导通，从而实现电流放大功能。栅极的电压越高，导通的电流越大，但同时栅极不消耗电流。所以相对于三极管，场效应管的有以下的优点：电流消耗量少，导通响应速度迅速。1.场效应管与三极管的区别3.场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开路电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。4.三极管导通电阻大，场效应管导通电阻小，只有几百毫欧姆，在现在的用电器件上，一般都用场效应管做开关来用，它的效率是比较高的。2.场效应管与继电器的区别场效应管与继电器功能相似，实际上都是用小电流去控制大电流运作的一种“开关”。一般情况下，场效应管的栅极与控制单元的引脚连接，根据控制单元的输出信号来执行通断动作。但是场效应管通断的变化速度远远比继电器快，一秒钟可以切换上万次通断，能够快速响应汽车的工况变化。场效应管的使用优势05知识点1.场效应管的使用优势1.场效应管是电压控制元件，而三极管是电流控制元件，在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用三极管。2.场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而三极管是既有多数载流子，也利用少数载流子导电，被称之为双极型器件。3.有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比三极管好。4.场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用任务实施工作计划天行健，君子以自强不息。——《周易·乾·象》1.制定工作计划步骤工作内容负责人1填写自评表全部人23452.列出需要的实训板、工具、耗材和器材清单序号名称型号与规格单位数量备注12345决

策业精于勤,荒于嬉;行成于思,毁于随。——韩愈《进学解》各组派代表阐述工作计划01对他组工作计划提出自己不同看法02教师点评，提出指导性意见03决策选出较优工作计划04工作实施君子博学而日参省乎己，则知明而行无过矣——荀子《劝学》1.按照本组制定的计划开展工作（1）领取实训积木板及材料；（2）认识与检查实训积木板；（3）各组员分工合作完成工作任务。安全生产规范操作节约能源2.实训任务场效应管元件测量及特性参数测量。安全生产规范操作节约能源数字万用表可调锂电池模块场效应管元件板

场效应管元件测量及特性参数测量3.实训步骤（1）领取实训积木板及材料场效应管特性板直流电流表直流电压表

场效应管元件测量及特性参数测量（2）场效应管特性检测电路及线路连接场效应管特性检测电路线路连接图场效应管元件测量及特性参数测量场效应管元件测量及特性参数测量序号步骤操作方法及说明质量标准与记录1电路板基本检查1.检查电路板外观和电子元件2.检查锂电池模块□检查电路板外观无划伤、损坏□检查可调锂电池模块是否正常□检查实训电路板是否正常2模块设备连接根据线路连接图连接各模块（注意接线习惯，正极用红色，负极用黑色）（3）具体实训流程场效应管元件测量及特性参数测量序号质量标准与记录3场效应管元件测量及特性参数测量序号质量标准与记录4场效应管元件测量及特性参数测量序号质量标准与记录5场效应管元件测量及特性参数测量序号步骤操作方法及说明质量标准与记录67S管理1.对使用的模块检查、清洁、归位；2.对工位进行清洁、整理；3.对使用的设备进行检查、清洁、归位。□检查使用的模块外观是否损坏、刮花；□清洁工位；□工具、设备清点归位。自评组间互评教师评价学而不思则罔，思而不学则殆。

——孔子《论语》评价反馈一、选择题1.场效应管是用（）控制漏极电流的。A、栅极极电流B、栅极电压C、漏极电流D、漏极电压2.场效应管与（）的功能类似。A、电容B、继电器C、线圈D、电池3.场效应管本质上是一个（）。A、电流控制电流的元件B、电压控制电压的元件C、电压控制电流的元件D、电压控制电压的元件4.下面哪一种仪器可以检测场效应管。（）。A、数字万用表B、解码器C、电流钳D、电子板5.在实验控制电路中场效应管可以理解为。（）A、电阻B、开关C、电源D、电容二、判断题1.场效应管是一种单极型半导体器件。（）2.场效应管属于电流控制型器件。（）3.场效应管在汽车电路中用作开关作用，控制执行器工作。（）4.场效应和继电器的作用是一样的，两者可以替换。（）5.场效应管可以用万用表测量好坏。（）IGBT任务2知识链接科学技术是第一生产力——邓小平IGBT的概述与内部结构01知识点1.IGBT的概述IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，即绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的半导体器件，同时具有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点，非常适合应用于新能源汽车的电机驱动器系统，如图5-1-7所示为单管分立IGBT元件。IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(二极管芯片)通过特定的电路封装而成的模块，一般所说的IGBT也指IGBT模块，如图5-1-8所示。

图5-1-7单管分立IGBT元件

图5-1-8IGBT模块2.IGBT的内部结构图5-1-9是IGBT内部结构示意图，N+区域称为源区，源区中引出的电极称为源极，即发射极E。IGBT的控制电极称为栅极，即门极G。P+区域称为漏区，附于漏区上的电极称为漏极，即集电极C。IGBT的电路符号如图5-1-10所示。

IGBT的工作原理02知识点IGBT的等效电路如图5-1-11所示。如果在IGBT的门极和发射极之间加上驱动电压，使得场效应管处于导通状态，则三极管的基极导通，从而三极管的集电极和发射极也处于导通状态，此时IGBT相当于闭合的开关。如果IGBT的门极和发射极之间电压为0V，使得场效应管处于截止状态，则三极管基极电流也截止，此时IGBT相当于断开的开关。

图5-1-11IGBT等效电路IGBT引脚的检测识别03知识点

用万用表欧姆档测量IGBT时，某一极与其他两极的阻值都显示为无穷大，如果调换表笔后该极与其他两极的阻值仍为无穷大，则可以判断此极为门极。其余的两极再使用万用表测量，如果测得的阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值比较小。则在测量阻值较小的一次中，可以判断红表笔接的为集电极，黑表笔接的为发射极。IGBT开关应用的原理04知识点

IGBT的有3个接口，其中集电极、发射极连接在强电电路上，门极连接控制单元的输出引脚。当控制单元对门极输出一个高电平信号，集电极与发射极之间就处于导通状态，相当于闭合开关；当控制单元对门极输出一个低电平信号，集电极与发射极之间就处于截止状态，相当于断开开关，如图5-1-12所示，IGBT开关控制电路。图5-1-12IGBT开关控制电路IGBT与场效应管的区别05知识点

IGBT与场效应管相似，作用相当于是个“继电器”，通过控制门极高低电平来控制集电极与发射极的导通或截止。场效应管和IGBT都可以用高低电平信号来控制电路通断。但IGBT的优点是：在高电流高电压的环境下，IGBT作为电子开关切换通断的速度是最迅速的，一秒钟内可以达到开关几万次，更能满足汽车逆变器的工作要求。IGBT在新能源汽车上的应用06知识点IGBT模块大约占电机驱动系统成本的50%，而电机驱动系统大约占整车成本的15%-20%，是除电池之外成本最高的元件，也决定了整车的驱动性能。

IGBT的主要作用是交流电和直流电的相互转换，同时IGBT还承担高低电压相互转换的功能。例如充电时外界输入的是交流电，需要通过IGBT把低压的220V电压转变成高压直流电给电池组充电；电池放电的时候，通过IGBT把高压直流电转变成交流电机所需要的低压交流电。图5-1-13是IGBT在新能源汽车上的应用示意图。图5-1-13IGBT在新能源汽车上的应用任务实施工作计划天行健，君子以自强不息。——《周易·乾·象》1.制定工作计划步骤工作内容负责人1填写自评表全部人23452.列出需要的实训板、工具、耗材和器材清单序号名称型号与规格单位数量备注12345决

策业精于勤,荒于嬉;行成于思,毁于随。——韩愈《进学解》各组派代表阐述工作计划01对他组工作计划提出自己不同看法02教师点评，提出指导性意见03决策选出较优工作计划04工作实施君子博学而日参省乎己，则知明而行无过矣——荀子《劝学》1.按照本组制定的计划开展工作（1）领取实训积木板及材料；（2）认识与检查实训积木板；（3）各组员分工合作完成工作任务。安全生产规范操作节约能源2.实训任务电容充放电特性实训安全生产规范操作节约能源3.实训步骤（1）领取实训积木板及材料可调电压锂电池模块IGBT功率管特性实训版直流电流表三个

IGBT功率管特性参数测量直流电压表两个

（2）IGBT功率管特性检测电路及线路连接二极管特性检测电路线路连接图IGBT功率管特性参数测量IGBT功率管特性参数测量序号步骤操作方法及说明质量标准与记录1电路板基本检查检查IGBT功率特性实训板□检查电路板外观无划伤、损坏□检查可调锂电池模块是否正常□检查实训电路板是否正常2模块设备连接根据线路连接图连接各模块（注意接线习惯，正极用红色，负极用黑色）□根据线路图连接电路并完成以下填空锂电池正极连接IGBT功率特性实训板端子锂电池负极连接IGBT功率特性实训板端子□连接完毕后检查IGBT功率特性实训板开关是否正常□连接完毕后检查电压表、电流表显示器是否显示正常（3）具体实训流程（1）场效应管元件的认知与测量序号步骤操作方法及说明质量标准与记录3IGBT功率管特性参数测量接通电路，通过调节电位器观察灯泡亮度，并进行分析□检查各模块正负极是否连接正确□检查无误后，打开可调锂电池模块电源、电流表、电压表□从左至右旋转电位器，门极电压VGE上升到

V时，灯泡开始亮，此时电路电流为

A，原因是

。

□当门极电压继续增大，集电极与发射极之间电压仍然接近于

V，电流变化不大。□结论：通过这个实训我们可以得出IGBT的栅极施加一定的电压后，可以控制IGBT从

（断开/闭合）状态变为

（断开/闭合）状态，等效为一个电压控制的

的特性。（1）场效应管元件的认知与测量序号步骤操作方法及说明质量标准与记录47S管理1.对使用的模块检查