变频器原理与应用 第3版 教案 2.5-2.8 功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块

PAGE《变频器原理及应用（第3版）》电子教案PAGE第2页共4页中等职业教育课程改革国家规划新教材《电子技术基础》电子教案 PAGE1章节课题第2章变频器常用电力电子器件（2.5～2.8）课时2教学目的1.了解功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的外形和器件符号。2.掌握功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的主要参数。重点难点重点难点：功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能率模块的主要参数。教学方法联系实际让学生了解功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能率模块的应用，调动学生的学习积极性。本次课老师要准备好功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能率模块，进行课堂演示，结合实际讲解理论知识，尽可能达到好的教学效果。教具教具：功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能率模块作业习题2-6；习题2-7：习题2-9；习题2-10课后小结功率场效应晶体管（P-MOSFET）是单极型全控器件，属于电压控制，驱动功率小。绝缘栅双极晶体管（IGBT）是复合型全控器件，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，是功率开关电源和逆变器的理想功率器件。IGCT是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的，是较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。智能功率模块（IPM）是将高速度、低功耗的IGBT，与栅极驱动器和保护电路一体化，IPM具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特点。教学内容2.5功率场效应晶体管（P-MOSFET）2.6绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.7集成门极换流晶闸管（IGCT）2.8智能功率模块(1PM)知识目标：1.了解功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的外形和器件符号。2.掌握功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的主要参数。技能目标：会使用万用表检测功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的好坏。教学内容2.5功率场效应晶体管（P-MOSFET）2.5.1功率场效应管的结构功率场效应晶体管的导电沟道也分为Ｎ沟道和Ｐ沟道，栅偏压为零时漏源之间就存在导电沟道的称为耗尽型，栅偏压大于零（Ｎ沟道）才存在导电沟道的称为增强型。2.5.2P-MOSFET的工作原理当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源之间电压为零或为负时，Ｐ型区和Ｎ-型漂移区之间的ＰＮ结反向，漏源之间无电流流过。如果在栅极和源极加正向电压UGS，由于栅极是绝缘的，不会有栅流。但栅极的正电压所形成电场的感应作用却会将其下面Ｐ型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的Ｐ型区表面。当UGS大于某一电压值UT时，栅极下面Ｐ型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使Ｐ型半导体反型成Ｎ型半导体，沟通了漏极和源极，形成漏极电流ID。电压UT称为开启电压，UGS超过UT越多，导电能力越强。漏极电流ID越大。教学内容2.5.3P-MOSFET的特性１.转移特性２．输出特性３.开关特性2.5.4功率场效应晶体管的主要参数1）漏源击穿电压BUDS；2）漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM3)栅源击穿电压BUGS4)开启电压UT5)极间电容2.5.5Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的栅极驱动1）触发脉冲的前后沿要陡峭，触发脉冲的电压幅值要高于器件的开启电压，以保证P-MOSFET的可靠触发导通。2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电容提供低电阻放电回路，减小栅极电容的充放电时间常数，提高P-MOSFET的开关速度。3）P-MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电流。2.5.6P-ＭＯＳＦＥＴ的保护1)工作保护;2)静电保护2.6绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.6.1IGBT的结构与基本工作原理从结构示意图可见，IGBT相当于以GTR为主导元件、以MOSFRT为驱动元件的达林顿结构。2.6.2IGBT的基本特性1)传输特性;2)输出特性2.6.3IGBT的主要参数1)集电极-发射极额定电压UCES；2)栅极-发射极额定电压UGES；3)额定集电极电流IC；4)集电极-发射极饱和电压UEC(sat)；5)开关频率2.6.4IGBT的驱动电路1)IGBT与MOSFET都是电压驱动，都具有一个2.5～5V的阈值电压，有一个容性输入阻抗。2)用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。IGBT开通后，栅极驱动源能提供足够的功率。3)驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。4)驱动电平+UGE的选择必须综合考虑。5)在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，应施加一负偏压UGE，但其受IGBT的G、E间的最大反向耐压限制，一般取-10～-1V。教学内容2.7集成门极换流晶闸管（IGCT）2.7.1IGCT的结构与工作原理2.7.2IGCT的特点（1）缓冲层；（2）透明阳极；（3）逆导技术2.8智能功率模块(IPM)2.8.11PM的结构其中包括用于于电动机制动的功率控制电路和三相逆变器各桥臂的驱动电路，还具备欠压、过流、桥臂短路及过热等保护功能。2.8.2IPM的主要特点IPM内含驱动电路，可以按最佳的IGBT驱动条件进行设定；IPM内含过流（OC）保护、短路（SC）保护，使检测功耗小、灵敏、准确；IPM内含欠电压（UV）保护，当控制电源电压小于规定值时进行保护；IPM内含过热（OH）保护，可以防止IGBT和续流二极管过热，在IGBT内部的绝缘基板上设有温度检测