變頻器原理與應(yīng)用 第3版 教案 2.5-2.8 功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換流晶閘管、智能功率模塊

PAGE《變頻器原理及應(yīng)用（第3版）》電子教案PAGE第2頁共4頁中等職業(yè)教育課程改革國家規(guī)劃新教材《電子技術(shù)基礎(chǔ)》電子教案 PAGE1章節(jié)課題第2章變頻器常用電力電子器件（2.5～2.8）課時2教學(xué)目的1.了解功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換流晶閘管、智能功率模塊的外形和器件符號。2.掌握功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換流晶閘管、智能功率模塊的主要參數(shù)。重點難點重點難點：功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換流晶閘管、智能率模塊的主要參數(shù)。教學(xué)方法聯(lián)系實際讓學(xué)生了解功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換流晶閘管、智能率模塊的應(yīng)用，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。本次課老師要準(zhǔn)備好功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換流晶閘管、智能率模塊，進(jìn)行課堂演示，結(jié)合實際講解理論知識，盡可能達(dá)到好的教學(xué)效果。教具教具：功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換流晶閘管、智能率模塊作業(yè)習(xí)題2-6；習(xí)題2-7：習(xí)題2-9；習(xí)題2-10課后小結(jié)功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）是單極型全控器件，屬于電壓控制，驅(qū)動功率小。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是復(fù)合型全控器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等優(yōu)點，是功率開關(guān)電源和逆變器的理想功率器件。IGCT是將門極驅(qū)動電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個整體形成的，是較理想的兆瓦級、中壓開關(guān)器件，非常適合用于6kV和10kV的中壓開關(guān)電路。智能功率模塊（IPM）是將高速度、低功耗的IGBT，與柵極驅(qū)動器和保護(hù)電路一體化，IPM具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特點。教學(xué)內(nèi)容2.5功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）2.6絕緣柵雙極晶體管（IGBT）2.7集成門極換流晶閘管（IGCT）2.8智能功率模塊(1PM)知識目標(biāo)：1.了解功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換流晶閘管、智能功率模塊的外形和器件符號。2.掌握功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換流晶閘管、智能功率模塊的主要參數(shù)。技能目標(biāo)：會使用萬用表檢測功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換流晶閘管、智能功率模塊的好壞。教學(xué)內(nèi)容2.5功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）2.5.1功率場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)功率場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電溝道也分為Ｎ溝道和Ｐ溝道，柵偏壓為零時漏源之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型，柵偏壓大于零（Ｎ溝道）才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強型。2.5.2P-MOSFET的工作原理當(dāng)漏極接電源正極，源極接電源負(fù)極，柵源之間電壓為零或為負(fù)時，Ｐ型區(qū)和Ｎ-型漂移區(qū)之間的ＰＮ結(jié)反向，漏源之間無電流流過。如果在柵極和源極加正向電壓UGS，由于柵極是絕緣的，不會有柵流。但柵極的正電壓所形成電場的感應(yīng)作用卻會將其下面Ｐ型區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的Ｐ型區(qū)表面。當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時，柵極下面Ｐ型區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使Ｐ型半導(dǎo)體反型成Ｎ型半導(dǎo)體，溝通了漏極和源極，形成漏極電流ID。電壓UT稱為開啟電壓，UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強。漏極電流ID越大。教學(xué)內(nèi)容2.5.3P-MOSFET的特性１.轉(zhuǎn)移特性２．輸出特性３.開關(guān)特性2.5.4功率場效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)1）漏源擊穿電壓BUDS；2）漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流IDM3)柵源擊穿電壓BUGS4)開啟電壓UT5)極間電容2.5.5Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的柵極驅(qū)動1）觸發(fā)脈沖的前后沿要陡峭，觸發(fā)脈沖的電壓幅值要高于器件的開啟電壓，以保證P-MOSFET的可靠觸發(fā)導(dǎo)通。2）開通時以低電阻對柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極電容提供低電阻放電回路，減小柵極電容的充放電時間常數(shù)，提高P-MOSFET的開關(guān)速度。3）P-MOSFET開關(guān)時所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充放電流。2.5.6P-ＭＯＳＦＥＴ的保護(hù)1)工作保護(hù);2)靜電保護(hù)2.6絕緣柵雙極晶體管（IGBT）2.6.1IGBT的結(jié)構(gòu)與基本工作原理從結(jié)構(gòu)示意圖可見，IGBT相當(dāng)于以GTR為主導(dǎo)元件、以MOSFRT為驅(qū)動元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。2.6.2IGBT的基本特性1)傳輸特性;2)輸出特性2.6.3IGBT的主要參數(shù)1)集電極-發(fā)射極額定電壓UCES；2)柵極-發(fā)射極額定電壓UGES；3)額定集電極電流IC；4)集電極-發(fā)射極飽和電壓UEC(sat)；5)開關(guān)頻率2.6.4IGBT的驅(qū)動電路1)IGBT與MOSFET都是電壓驅(qū)動，都具有一個2.5～5V的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗。2)用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。IGBT開通后，柵極驅(qū)動源能提供足夠的功率。3)驅(qū)動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。4)驅(qū)動電平+UGE的選擇必須綜合考慮。5)在關(guān)斷過程中，為盡快抽取PNP管的存儲電荷，應(yīng)施加一負(fù)偏壓UGE，但其受IGBT的G、E間的最大反向耐壓限制，一般取-10～-1V。教學(xué)內(nèi)容2.7集成門極換流晶閘管（IGCT）2.7.1IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理2.7.2IGCT的特點（1）緩沖層；（2）透明陽極；（3）逆導(dǎo)技術(shù)2.8智能功率模塊(IPM)2.8.11PM的結(jié)構(gòu)其中包括用于于電動機(jī)制動的功率控制電路和三相逆變器各橋臂的驅(qū)動電路，還具備欠壓、過流、橋臂短路及過熱等保護(hù)功能。2.8.2IPM的主要特點IPM內(nèi)含驅(qū)動電路，可以按最佳的IGBT驅(qū)動條件進(jìn)行設(shè)定；IPM內(nèi)含過流（OC）保護(hù)、短路（SC）保護(hù)，使檢測功耗小、靈敏、準(zhǔn)確；IPM內(nèi)含欠電壓（UV）保護(hù)，當(dāng)控制電源電壓小于規(guī)定值時進(jìn)行保護(hù)；IPM內(nèi)含過熱（OH）保護(hù)，可以防止IGBT和續(xù)流二極管過熱，在IGBT內(nèi)部的絕緣基板上設(shè)有溫度檢測