新能源汽车电工电子技术基础 课件 项目七新能源汽车半导体元件的应用

新能源汽车半导体元件的应用目录学习目标情境描述知识解析任务实施课程思政学习目标01素养目标培养学生严谨规范的工匠精神了解中国芯，指导半导体前沿技术情况，培养学生的民族自豪感培养学生独立自学、讨论合作能力、信息获取能力知识目标掌握二极管和三极管的结构和电路符号能对二极管、三极管进行检测判断好坏了解发电机的构造和原理，能对三相桥式整流电路的工作原理进行分析能对发电机整流器进行检测

技能目标能对二极管进行正确检测并判断好坏能对三极管进行正确检测并判断好坏。能对汽车整流器进行检测情境描述020102情境描述作为新能源汽车专业的学生，帮忙分析故障原因并进行检测维修。新能源汽车维修店接待一客户，反馈他的新能源汽车无法上电启动，请求救援。IGBT主要应用于电动汽车领域中，负责直流/交流（DC/AC）逆变，使用电流较小的IGBT和FRD。了解IGBT需从半导体基础知识讲起，包括二极管、三极管、场效应管等，在新能源汽车上都有应用。整流器、电压调节器和逆变器都使用了大量的半导体元器件，这些器件在新能源汽车中发挥着至关重要的作用。半导体元件在新能源汽车上的应用广泛，如动力电池储存直流电，而电机控制器中逆变器将直流电转化为交流电。IGBT模块在电动汽车中占据重要地位，是核心部件，占电动汽车成本近10%，充电柱成本约20%。任务分析

电池管理系统（BMS）中半导体器件应用电池监控与保护半导体器件用于实时监测电池状态，包括电压、电流和温度等，确保电池安全、高效运行。电池能量管理半导体器件通过精确控制电池的充放电过程，实现电池能量的最大化利用，延长电池寿命。电池热管理半导体器件在电池热管理系统中发挥关键作用，通过调节散热风扇、加热元件等，确保电池工作在适宜的温度范围内。123半导体器件作为电机控制器的核心元件，负责将电池提供的直流电转换为交流电，驱动电机运转。电机驱动与控制在新能源汽车制动过程中，半导体器件可实现能量的回收与再利用，提高能源利用效率。能量回收与制动控制半导体器件具备故障诊断功能，可实时监测电机运行状态，及时发现并处理潜在故障。故障诊断与保护电机控制器（MCU）中半导体器件应用半导体器件在充电桩中负责充电过程的精确控制，包括充电电流、电压和时间的调节，确保充电过程安全、可靠。充电控制与保护通过半导体器件的功率因数校正、软开关等技术手段，提高充电桩的充电效率，缩短充电时间。充电效率优化半导体器件支持充电桩与智能设备、云平台的连接与通信，实现充电设施的智能化管理与远程控制。充电设施智能化充电设施中半导体器件应用车载网络系统半导体器件支持车载网络系统的构建与运行，实现车内各电子控制单元之间的数据交换与通信。车载信息娱乐系统半导体器件在车载信息娱乐系统中发挥重要作用，负责音频、视频等多媒体信息的处理与传输。自动驾驶辅助系统在自动驾驶辅助系统中，半导体器件负责传感器数据的采集与处理、决策与控制指令的生成与执行等关键任务。其他关键系统中半导体器件应用半导体常见类型及其特点具有单向导电性，可用于整流、检波、稳压等电路。具有放大和开关功能，是电子电路中的核心元件之一。输入电阻高、噪声低、功耗小，适用于放大和开关电路。可控硅整流器件，具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点。二极管三极管场效应管晶闸管知识解析03二极管是一种具有两个电极的电子器件，通常用于直流电路中，每个电极对应于电路中的正极或负极。整流器是一种用于将直流电转换为交流电的设备，通常由二极管组成，每个二极管都连接在一个电路中。二极管与发电机整流器整流器二极管半导体材料自然界物体根据导电能力不同，可分为导体、绝缘体和半导体。半导体材料有硅、锗、砷化镓等，其中硅应用最广泛。半导体分类第一代半导体材料是指硅和锗等单质；第二代半导体材料是以砷化镓、磷化铟为代表的化合物；第三代半导体材料通常指禁带宽度大于2.3eV或等于2.3eV的半导体材料。半导体器件应用新能源汽车车载充电装置使用第三代半导体碳化硅器件，可提高充电十分钟行使里程至400公里，降低能耗50%。半导体基本知识半导体导电机理半导体的导电机理与其他物质不同，受外界热和光作用时导电能力明显变化，杂质掺入后导电能力也变化。载流子半导体中有两种导电的“粒子”，自由电子和空穴，都参与导电，统称为“载流子”。在外电场作用下，两种载流子都可以做定向移动，形成电流。九个9制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。本征半导体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。半导体基本知识

二极管结构及电路符号半导体二极管半导体二极管，也称晶体二极管，是一种具有单向导电性的器件，通常由一个PN结封装在密封的管壳内，并引出两个电极。P区和N区半导体二极管通常与P区相连的引线为正极，与N区相连的引线为负极，具有两个电极。电路符号在电路中，半导体二极管通常用字母VD或“D”表示，而旧标准中用“D”表示。类型按结构划分，半导体二极管分为点接触型二极管和面接触型二极管，每种类型都有其独特的应用场景。点接触型二极管点接触型二极管，也称为锗管，其PN结面积较小，适用于高频信号的检波和小电流的整流，也可用作脉冲数字电路的开关元件。面接触型二极管面接触型二极管，也称为硅管，其PN结面积较大，可通过较大的电流，但工作频率较低，一般用于低频电路和大电流的整流电路中，也可以用在脉冲数字电路中作开关管。二极管结构及电路符号加在二极管两端的电压与通过它的电流之间的关系，也称为电压-电流关系曲线。二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线和主要参数当二极管外加较小的正向电压时，正向电流几乎为零，可以认为二极管不导通的。正向特性死区电压正向导通只有电压达到一定值时，才有电流出现，这个电压称为二极管的死区电压。当正向电压大于死区电压时，PN结内电场被大大削弱，二极管导通。030201二极管伏安特性曲线和主要参数在正常使用的电流范围内，硅管导通时的正向压降为0.6～0.8V；锗管导通电压为0.2～0.4V。正向压降外加反向电压不高时，由于少子的漂移运动，形成很小的反向电流，二极管处于截止状态。反向特性在反向电压不超过一定范围时，反向电流的大小基本恒定，当反向电压超过一定数值时，反向电流急剧增大。反向击穿电压二极管伏安特性曲线和主要参数最大整流电流极管最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的正向平均电流。最高反向工作电压最高反向工作电压是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般为反向击穿电压的一半或三分之二。二极管伏安特性曲线和主要参数定子结构定子由线圈绕制，安装在转子外面，与转子一起构成发电机的主要部分。汽车发电机组成汽车发电机通常由三相同步交流发电机和三相桥式全波整流器组成，包括定子、转子、整流器、端盖与电刷总成等。转子结构转子由磁场绕组、两块极爪组成，转子结构如图7-18所示。当转子旋转时，磁场绕组中的线圈会依次交替接通或断开电流。汽车发电机的构造原理感应电动势01定子绕组中产生感应电动势，其频率与转子转速成正比，可以通过整流器整流，将交流电转化为直流电。整流器作用02汽车交流发电机的工作原理是利用三相桥式整流电路将定子绕组产生的交流电转化为直流电，供给全车用电设备或给动力电池充电。三相桥式整流电路03汽车用交流发电机的整流器普遍采用三相桥式整流电路，由6-12个硅二极管组成，其中3个二极管接法共阳极组，3个二极管接法共阴极组。汽车发电机的构造原理每个时刻都有2个二极管同时导通，其中一个在共阴极组，是阳极电位最高的二极管；另一个在共阳极组，是阴极电位最低的二极管。输出电压稳定同时导通的两个管子总是将发电机的输出电压加在负载两端，使负载两端得到一个比较平稳的脉动直流电压，电压在一个周期内有6个波纹。脉动直流电压汽车发电机的构造原理123三极管是一种电子器件，在电路中起放大、振荡、开关等作用，广泛应用于各种电子设备和系统中。三极管交流发电机是一种用于产生交流电的装置，通常由定子和转子组成，并在电路中产生一定的电压和电流。交流发电机电压调节器是用于控制和稳定交流发电机输出的设备，通常由电子器件和机械部件组成，以确保输出电压的稳定。电压调节器三极管与交流发电机的电压调节器每个三极管内部都是由2个PN结为主构成的，发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。三极管的电极排列方式有NPN和PNP两种，NPN型管和PN型管的区别仅仅是发射极箭头的方向不同。三极管的类型箭头方向代表了三极管集电极电流的正方向。三极管的外形三极管结构及电路符号晶体三极管的工作状态与其两个PN结上外加电压有很大关系，当这两个PN结外加电压的偏置情况不同时，晶体管可能工作于放大、饱和、截止状态。晶体三极管的工作状态特性曲线反映了三极管各电极间电压和各电极间电流之间的关系，是具体分析放大电路的重要依据，也是三极管特性的主要表达形式，包括输入特性曲线和输出特性曲线。特性曲线输入特性曲线是指三极管输入回路中，当集电极与发射极之间的电压UCE保持某一恒定值时，加在晶体管的基极和发射极间的电压UBE与它所产生的基极电流IB间的关系曲线。输入特性曲线输出特性曲线是指在一定的基极电流IB控制下，三极管的集电极与发射极之间的电压UCE随集电极电流IC变化的关系曲线。输出特性曲线三极管输入及输出特性曲线汽车交流发电机电压调节器的工作原理交流发电机通电产生磁场，转子旋转在定子中产生交流电，整流器将三相交流电转化为直流电，电压调节器控制转子的磁场来调节发电机电压，确保输出电压稳定。交流发电机电压调节器的功能交流发电机电压调节器在汽车发动机中发挥着至关重要的作用，它能够控制发电机的输出电压，确保其在规定范围内稳定运行，从而防止因电压过高而烧坏用电设备和导致蓄电池过量充电。交流发电机电压调节器的稳压原理当电压过高时，电压调节器会切断励磁电流，利用三极管的特性，使发电机磁场减弱，从而降低发电机的端电压；当电压过低时，电压调节器会接通励磁电流，使发电机磁场增强，从而提升发电机的端电压。汽车交流发电机电压调节器的工作原理交流发电机电压调节器的调节方式交流发电机电压调节器通过动态调节励磁电流的大小，实现了发电机输出电压的稳定。在汽车发动机运转过程中，交流发电机电压调节器能够根据发动机的工作状态和需求，自动调整励磁电流的大小和方向。汽车交流发电机电压调节器的工作原理场效应管是一种半导体器件，通常用于逆变器中，以控制电流和电压。场效应管逆变器场效应管在逆变器中的作用逆变器的应用领域逆变器是一种电力电子设备，可以将直流电转换为交流电，以便供应给负载。场效应管在逆变器中负责将直流电转换为交流电，并控制电流和电压。逆变器广泛应用于各种领域，如家庭、工业、汽车等，用于将直流电转换为交流电。场效应管与逆变器场效应晶体管（FET）通常简称为场效应管，是一种高输入阻抗的电压控制型半导体器件，在电路中的文字符号用字母“V”或“VF”、“VT”表示，旧标准用“FET”表示。场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（MOSFET）两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则在栅极和漏极之间引入了氧化物层作为绝缘层，栅极与其它电极完全绝缘。在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）。场效应管的栅极相当于三极管的基极，源极和漏极分别对应于三极管的发射极和集电极。MOSFET管的结构及工作原理MOSFET管的结构及工作原理N沟道MOSFET管的形成过程如图示，它先用一块P型硅半导体材料作衬底，在其上面扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅绝缘层，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极。MOS场效应管分为增强型（有N沟道、P沟道之分）及耗尽型（分有N沟道、P沟道）。P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型。增强型是指在一定的偏置电压下，MOSFET的源极和漏极之间的导电能力会增强，耗尽型则是指在一定的偏置电压下，MOSFET的源极和漏极之间的导电能力会减弱。N沟道增强型MOSFET管工作原理要点三绝缘栅双极型晶体管IGBT的结构及工作原理要点三IGBT的结构绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和BJT组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有驱动功率小、饱和压降低的优点，非常适合应用于新能源汽车应用场景中的直流电压为600V及以上的变流系统。02IGBT的工作原理当N沟道增强型绝缘栅双极晶体管IGBT结构中，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极，N基极称为漏区，器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极，沟道在紧靠栅区边界形成。漏注入区在C、E两极之间的P型区（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannelregion）。而漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Draininjector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。03绝缘栅双极型晶体管IGBT的结构及工作原理01开关作用IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP（原来为NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。驱动方法IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。开通和关断控制IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极和发射极之间加上驱动正电压，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通；在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。绝缘栅双极型晶体管IGBT的结构及工作原理逆变器的构造及工作原理单相半桥型逆变电路中两个电容容量很大且相等，将Ud分成相等的两部分。单相半桥逆变电路逆变器是把直流电变成交流电的装置，逆变电路是逆变器中最重要的部分，广泛应用于蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源。逆变器纯电动汽车的电源是动力电池，为了驱动电机工作，需要将直流电转换为交流电，从而能够提供足够的动力。纯电动汽车单相半桥型逆变器电路及工作波形直流侧电容直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点是直流电源的中点，起到缓冲无功能量的作用。反馈二极管VD1、VD2称为反馈二极管，它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管，在逆变过程中起续流作用。桥臂组成单相半桥逆变电路中有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件IGBT和一个反并联二极管组成，IGBT是逆变器中的核心器件。逆变器的构造及工作原理单相桥桥型逆变器电路及工作波形逆变过程在0～t1期间，V1开通，V2关断；在t1～t2期间V1开通、V2关断，因L对变化电流的阻碍作用，流过R、L的电流i0慢慢增大。开关器件信号在t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，则V1关断，但感性负载中不能立即改变方向，于是VD2导通续流。逆变器的构造及工作原理任务实施04任务实施确定任务的具体目标、要求和时间表，确保任务按时完成。合理分配人力、物力和财力等资源，确保任务顺利完成。制定详尽的任务计划，包括时间、地点和步骤等，确保任务有序进行。根据实际情况及时调整任务计划，确保任务顺利完成。明确任务分配资源制定计划及时调整半导体器件在汽车上应用广泛，二极管、三极管的好坏、极性和管脚的判断是基础内容。半导体器件在汽车上的应用准备各式二极管、三极管若干，整流器4个，数字万用表4个，导线若干。教具学具准备任务准备任务一二极管与整流电路的检测任务二三极管的检测实践操作二极管的检测根据电路图符号标记判断观察外壳上的符号标记把表笔分别搭上二极管的两极，然后再互换一下搭两极的表笔，万用表显示数值另一次不显示数值或者为1就说明这个二极管就是好的，显示数值那次，红表笔连接的是二极管正极，黑表笔连接的是二极管负极。在测量时若两次的数值均很小，则二极管内部短路；若两次测得的数值均很大或为1，则二极管内部开路。外壳为正极，中心引线为负极的二极管称为负极管；外壳为负极，中心引线为正极的二极管称为正极管。负极搭铁的硅整流发电机中，3个正极管的外壳压装在散热板的三个座孔内，共同组成发电机的正极。汽车交流发电机整流器的二极管分为正极管和负极管，中心引线和外壳分别是他们的两个电极。汽车发电机整流器的检测3个负极管的外壳压装在后端盖的3个孔内，和发电机外壳一起成为发电机的负极。安装二极管的散热板称为整流板，通常用合金制成以利散热。现代汽车用交流发电机一般都有两块整流板，安装正极管的整流板（装在外侧）称为正整流板。汽车发电机整流器的检测拆开与发电机的连接线，将万用表打到二极管档分别测量正极管子与负极管子，每个二极管应分开进行两次测量。安装负极管的整流板（装在内侧）称为负整流板，两块板绝缘地安装在一起，它与后端盖用尼龙或其他绝缘材料制成的垫片隔开且固定在端盖上。检测整流器主要是检测二极管是否有断路或击穿现象，在测试时应将正、负整流板分开，否则无法正确判断故障。汽车发电机整流器的检测0102汽车发电机整流器的检测