新能源汽車電力電子技術(shù) 課件 第6章 車用電路中常用元器件

第6章車用電路中常用元器件半導(dǎo)體器件6.26.1基本元件6.1.1電阻元件6.1.2電感元件6.1.3電容元件6.1.1電阻元件1.電阻元件的符號(hào)電阻元件是電路中最基本的電路元件，是實(shí)際電阻器的理想化模型，是表征電路中電能消耗的理想元件。電阻元件，用符號(hào)R表示。2.電阻元件的伏安特性如圖6-2所示。一個(gè)電阻元件有電流通過后，若只考慮它的熱效應(yīng)，忽略它的磁效應(yīng)，即成為一個(gè)理想電阻元件。和的參考方向關(guān)聯(lián)表達(dá)，根據(jù)歐姆定律得出：圖6-1電阻元件圖形符號(hào)(a)電阻電路

(b)伏安特性6-2電阻元件的伏安特性電阻元件上的電壓與電流成線性關(guān)系，兩者的比值是一個(gè)大于零的常數(shù)，稱為這一部分電路的電阻，單位是歐姆（Ω）。當(dāng)有電流流過電阻時(shí)，電阻將消耗能量，所以電阻具有耗能的性質(zhì)，3.電阻元件的主要性能指標(biāo)(1)額定功率在規(guī)定的環(huán)境溫度和濕度下,電阻器電阻器在直流或交流電路中長期連續(xù)工作,在不損壞或基本不改變性能的情況下允許消耗的最大功率,稱為額定功率。

(2)標(biāo)稱阻值在電阻器上標(biāo)示的阻值，其單位為歐(Ω)、千歐(kΩ)、兆歐(MΩ)。(3)允許偏差。實(shí)際阻值與標(biāo)稱阻值間允許的最大偏差，以百分比表示。常用的有±5%、±10%、±20%,精密的小于±1%，高精密的可達(dá)0.001%。它表示電阻產(chǎn)品的精度。電阻的阻值和允許偏差的標(biāo)注方法有直標(biāo)法和色環(huán)法。①直標(biāo)法將電阻的阻值和誤差直接用數(shù)字和字母印在電阻上。②色環(huán)法將不同顏色的色環(huán)涂在電阻器上來表示電阻的標(biāo)稱值及允許偏差，色環(huán)法標(biāo)稱阻值所代表的數(shù)字或意義見表6-1。色別第一色環(huán)第一位數(shù)第二色環(huán)第一數(shù)字第三色環(huán)應(yīng)乘的數(shù)允許偏差黑00-棕11紅22橙33-黃44-綠55藍(lán)66紫77灰88-白99-金－－銀－－表6-1色環(huán)法標(biāo)稱阻值所代表的數(shù)字或意義現(xiàn)舉例說明色環(huán)法識(shí)別電阻標(biāo)稱值的方法。A.在電阻體上標(biāo)以彩色環(huán),色環(huán)由左向右依次排列,最左側(cè)為第一色環(huán)。圖6-3所示的電阻租值為27000Ω±5%。B.精密度電阻器的色環(huán)標(biāo)志用五個(gè)色環(huán)表示。第一至第三色環(huán)表示電阻的有效數(shù)字,第四色環(huán)表示倍乘數(shù),第五色環(huán)表示允許偏差,圖6-4所示的電阻阻值為17.5Ω±1%。圖6-3四色環(huán)電阻圖6-4五色環(huán)電阻4.敏感電阻根據(jù)電阻元件對不同物理量敏感，敏感電阻器可分為熱敏、濕敏、光敏、壓敏、力敏、磁敏和氣敏等類型敏感電阻。敏感電阻器所用的材料幾乎都是半導(dǎo)體材料，這類電阻器也稱為半導(dǎo)體電阻元件。5.電阻元件在汽車電路的應(yīng)用(1)普通電阻(2)熱敏電阻冷卻水溫度傳感器外觀與結(jié)構(gòu)如圖6-5(a)所示。這種傳感器是利用熱敏電阻阻值隨溫度的變化而變化這一特性來檢測溫度的，其溫度特性如圖6-5(b)所示。(a)外形(b)特性曲線圖6-5熱敏電阻式冷卻液溫度傳感器的外形與特性曲線(3)壓敏電阻壓敏電阻是一種具有非線性伏安特性的電阻器件，根據(jù)其特性不同可分為壓力敏感型和電壓敏感型兩種。(4)光敏電阻光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的。在受光時(shí)，半導(dǎo)體受光照產(chǎn)生載流子，由一電極到達(dá)另一電極，有效地參與導(dǎo)電，從而使光電導(dǎo)體的電阻率發(fā)生變化。光照強(qiáng)度越強(qiáng)，電阻越小。6.1.2電感元件1.電感元件的符號(hào)電感元件是實(shí)際電感器的理想模型，用來表征電路中磁場能儲(chǔ)存這一物理性質(zhì)的理想元。電感元件的電路符號(hào)如圖6-6所示。電感元件又稱為線圈或電感線圈，用符號(hào)L表示。圖6-6電感元件符號(hào)圖6-7電感元件的伏安特性3.電感元件的主要性能指標(biāo)(1)標(biāo)稱電感量。也稱自感系數(shù)，是反映電感線圈產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個(gè)物理量。電感量的大小主要取決于線圈的匝數(shù)、繞制方式、有無磁心及磁心的材料等等。

(2)允許偏差。允許偏差是指電感器上標(biāo)稱電感量與實(shí)際電感的允許誤差值。一般用于振蕩或?yàn)V波等電路中的電感器要求精度較高。(3)電感線圈直流電阻。電感線圈的直流電阻是指損耗電阻,其阻值很小。

(4)品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)是衡量電感器質(zhì)量的主要參數(shù)。它是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時(shí)，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻之比。(5)額定電流。額定電流是指電感器在允許的工作環(huán)境下能承受的最大電流值。若工作電流超過額定電流，則電感器就會(huì)因發(fā)熱而使性能參數(shù)發(fā)生改變，甚至還會(huì)因過流而燒毀。4.電感元件的應(yīng)用(1)電感元件廣泛的應(yīng)用在模擬電路與信號(hào)處理過程中。(2)電感元件與電容元件及其他一些器件結(jié)合可以形成調(diào)諧電路，可以放大或過濾一些特定的信號(hào)頻率。(3)小的電容/電感還可結(jié)合產(chǎn)生調(diào)諧電路用于無線電的收發(fā)。(4)兩個(gè)或多個(gè)電感元件之間有耦合磁通量可形成變壓器，變壓器是電力電源系統(tǒng)的基本組件。變壓器的效率隨著頻率的增加而減小，但高頻變壓器的體積也變的很小。6.1.3電容元件1.電容元件的符號(hào)電容元件是用來表征電路中電場能儲(chǔ)存這一物理性質(zhì)的理想元件。電容元件又稱器簡稱電容，用符號(hào)C表示。

（a）固定電容

（b）可調(diào)電容

（c）微調(diào)電容

（d）電解電容圖6-8電容元件的圖形符號(hào)

（a）電容電路

（b）電容充電圖6-9電容元件的特性4.電容元件的基本功能(1)充電。使電容元件帶電（儲(chǔ)存電荷和電能）的過程稱為充電。這時(shí)電容元件的兩個(gè)極板總是一個(gè)極板帶正電，另一個(gè)極板帶等量的負(fù)電。充電后電容元件的兩極板之間就有了電場，充電過程把從電源獲得的電能儲(chǔ)存在電容元件中。(2)放電。使充電后的電容元件失去電荷（釋放電荷和電能）的過程稱為放電。電容元件就會(huì)放出電荷和電能。放電后電容元件的兩極板之間的電場消失，電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能。在汽車電子電路中，常用電容元件來實(shí)現(xiàn)旁路、耦合、濾波、振蕩、相移以及波形變換等，這些作用都是其充電和放電功能的演變。6.2半導(dǎo)體器件6.2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.2.2半導(dǎo)體二極管6.2.3特殊二極管6.2.4半導(dǎo)體三極管6.2.5場效應(yīng)管6.2.6晶閘管6.2.7絕緣柵雙極型晶體管6.2.8功率場效應(yīng)晶體管6.2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但是因?yàn)樗哂袩崦粜?、光敏性和摻雜性，由半導(dǎo)體制成的各種電子器件得到了非常廣泛的應(yīng)用。(1)熱敏性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能隨著溫度發(fā)生明顯的改變。利用熱敏性可制作成各種熱敏電阻，用于控制系統(tǒng)和溫度測量等。(2)光敏性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能對光照比較敏感。利用光敏性可制作成光電二極管、光電三極管及光敏電阻等多種類型的光電器件，廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制和電子設(shè)備中。(3)摻雜性：在純凈的半導(dǎo)體中摻入極少量的雜質(zhì)元素，將會(huì)極大地改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。利用摻雜性可制作成各種不同用途的半導(dǎo)體器件。1.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體指的是完全純凈，結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體中雖然有大量的價(jià)電子，但它們都不能自由移動(dòng)，也不能參與導(dǎo)電。當(dāng)半導(dǎo)體的溫度升高或者受到光線照射等外界因素的影響時(shí)，共價(jià)鍵中的某些價(jià)電子獲得能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子；與此同時(shí)，原共價(jià)鍵中的相應(yīng)位置留下空位，稱作“空穴”，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，自由電子和空穴的數(shù)目總是相等的，對外呈電中性。這種在熱或光的作用下，本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)如果把空穴看成帶正電的載流子，那么空穴的移動(dòng)與帶負(fù)電的價(jià)電子反方向移動(dòng)的效果是相同的。

2.雜質(zhì)半導(dǎo)體

（1）型半導(dǎo)體在純凈半導(dǎo)體中摻入微量的五價(jià)元素(如磷)后，就可形成

型半導(dǎo)體。（2）型半導(dǎo)體在純凈半導(dǎo)體中摻入微量的三價(jià)元素(如硼)后，就可形成

型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

P型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)3.PN結(jié)

(1)PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體上，通過一定的摻雜工藝，一邊形成

N型半導(dǎo)體，一邊形成P型半導(dǎo)體，那么在交界面處將形成一個(gè)具有特殊功能的薄層，稱為PN結(jié)。(a)多子擴(kuò)散

(b)PN結(jié)的形成

隨著內(nèi)電場的逐漸建立，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，少子的漂移運(yùn)動(dòng)隨之增強(qiáng)，最終到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)空間電荷區(qū)的寬度基本保持不變。6.2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

（2)PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)最基本的特性就是單向?qū)щ娦裕赐饧诱螂妷?，結(jié)導(dǎo)通；外加反向電壓，結(jié)截止。PN結(jié)外加正向電壓

PN結(jié)外加反向電壓

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕赫蚱脮r(shí)導(dǎo)通，正向電阻很??；反向偏置時(shí)截止，反向電阻很大。6.2.2半導(dǎo)體二極管

1.結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體二極管就是由一個(gè)

結(jié)加上相應(yīng)的電極引線及管殼封裝而成的。由

區(qū)引出的電極稱為陽極，

區(qū)引出的電極稱為陰極。常用二極管的符號(hào)、結(jié)構(gòu)和外形示意圖按材料分，有硅管和鍺管兩種；按用途分，有普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管等多種；按結(jié)構(gòu)來分，有點(diǎn)接觸型，面接觸型和硅平面型幾種。

2.伏安特性

二極管的性能可以通過它的伏安特性曲線加以描述。伏安特性是指流過二極管的電流和外加電壓的關(guān)系。

(1)正向特性當(dāng)正向電壓超過某個(gè)數(shù)值以后二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。

(2)反向特性二極管外加反向電壓時(shí)，二極管呈現(xiàn)很大的電阻，電路相當(dāng)于斷開狀態(tài)。

(3)反向擊穿特性當(dāng)加到二極管上的反向電壓達(dá)到一定數(shù)值后，反向擊穿。二極管伏安特性曲線3.二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流

最大整流電流

是指二極管長期工作時(shí)，允許通過的最大正向工作電流。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，二極管的平均電流不能超過此值。(2)最大反向工作電壓

最大反向工作電壓

是指二極管在使用時(shí)允許加的最大反向電壓(峰值)。(3)反向飽和電流

反向飽和電流

是指在規(guī)定反向電壓和室溫下所測得的反向電流值。該值越小，說明二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶谩?.2.3特殊二極管

1.穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用。穩(wěn)壓管與普通二極管的主要區(qū)別在于，穩(wěn)壓管是工作在

PN結(jié)的反向擊穿狀態(tài)。

(1)伏安特性曲線在反向擊區(qū)域內(nèi)，當(dāng)

在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)壓管兩端電壓

基本不變。

（2）主要參數(shù)穩(wěn)壓管主要參數(shù)有穩(wěn)定電壓、穩(wěn)定電流

、動(dòng)態(tài)電阻等。

穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線和符號(hào)

2.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的光發(fā)射器件，簡稱

。它是由鎵、砷、磷等元素的化合物制成。這些材料構(gòu)成的

加上正向電壓時(shí)，就會(huì)發(fā)出光來，光的顏色取決于制造所用的材料。發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電壓低、工作電流小，具有很強(qiáng)的抗振動(dòng)和沖擊能力、體積小、可靠性高、耗電省和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于信號(hào)指示等電路中。發(fā)光二極管電路

3.光電二極管

光電二極管又稱光敏二極管,當(dāng)光線照射于它的PN結(jié)時(shí),它的反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而線性增加，這時(shí)光電二極管等效于一個(gè)恒流源;當(dāng)無光照時(shí)，光電二極管的伏安特性與普通二極管一樣。光電二極管作為光控元件可用于物體檢測、光電控制、自動(dòng)報(bào)警等方面。

光電二極管符號(hào)及等效電路6.2.4半導(dǎo)體三極管

半導(dǎo)體三極管又叫晶體三極管或雙極型晶體管，簡稱晶體管或三極管。晶體管種類繁多，按結(jié)構(gòu)可以分為NPN管和PNP管。1.半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)(a)NPN管(b)PNP管三極管結(jié)構(gòu)和符號(hào)2.三極管的放大原理三極管在電子線路中用作放大器件時(shí)，發(fā)射結(jié)外加正向電壓，集電結(jié)外加反向電壓，即發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。三極管的電流分配和放大作用稱為動(dòng)態(tài)(交流)電流放大倍數(shù)。通常在20～200之間。共射極電路的電流放大作用

3.三極管的特性曲線三極管的特性曲線是指各電極之間所加電壓和流過電流之間的關(guān)系曲線，它能直觀全面反映三極管性能的好壞。（1）輸入特性曲線

輸入特性曲線是指當(dāng)集電極與發(fā)射極之間的電壓

為某一常數(shù)時(shí)，基極電流

與加在發(fā)射結(jié)上的電壓

之間的關(guān)系曲線，即

常數(shù)

三極管的輸入特性曲線

（2）輸出特性曲線輸出特性曲線是指當(dāng)三極管的基極電流為某一常數(shù)時(shí)，集電極電流與加在集電極、發(fā)射極之間的電壓

之間的關(guān)系曲線，即︱常數(shù)根據(jù)三極管的工作狀態(tài)不同，可將輸出特性分為三個(gè)區(qū)域。A.截止區(qū)B.放大區(qū)

C.飽和區(qū)三極管處于放大狀態(tài)的電路通常為放大電路，而三極管處于截止和飽和狀態(tài)的電路常稱為開關(guān)電路。︱

三極管的輸出特性曲線6.2.5場效應(yīng)管場效應(yīng)管(縮寫FET）是一種帶有PN結(jié)的新型半導(dǎo)體器件,場效應(yīng)管是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。場效應(yīng)管具有輸入阻抗高、制造工藝簡單、噪聲系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好及動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，沒有二次擊穿現(xiàn)象。特別適合做成大規(guī)模集成電路，在高頻、中頻、低頻、直流、開關(guān)及阻抗變換電路中有廣泛應(yīng)用。1.場效應(yīng)管的分類場效應(yīng)管從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，有電子作為載流子的Ｎ溝道器件和空穴作為載流子的Ｐ溝道器件。從結(jié)構(gòu)來劃分，有結(jié)型場效應(yīng)管JFET和絕緣柵場效應(yīng)管IGFET之分；IGFET也稱金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET通常簡稱MOS場效應(yīng)管。

圖6-28Ｎ溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)

(a)(b)圖6-30漏極輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線(a)(b)圖6-31Ｎ溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖特性轉(zhuǎn)移曲線

(2)結(jié)型場效應(yīng)管①結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與絕緣柵場效應(yīng)管相似,工作機(jī)理也相同。結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖6-32所示。它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié),形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)Ｐ區(qū)即為柵極，Ｎ型硅的一端是漏極，另一端是源極。圖6-32結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

（a）漏極輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特曲線圖6-33Ｎ溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線6.2.6晶閘管圖6-34晶閘管的外形圖6-35晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

晶閘管的工作原理晶閘管的工作條件：（1）晶閘管承受反向陽極電壓時(shí),不管控制極承受何種電壓,晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。（2）晶閘管承受正向陽極電壓時(shí),僅在控制極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。（3）晶閘管在導(dǎo)通情況下,只要有一定的正向陽極電壓,不論控制極電壓如何,晶閘管保持導(dǎo)通,即晶閘管導(dǎo)通后,控制極失去作用。晶閘管的工作原理

（4）晶閘管在導(dǎo)通情況下,當(dāng)主回路電壓(或電流)減小到接近于0時(shí),晶閘管關(guān)斷。6.2.7絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）絕緣柵雙極型品體管綜合了BJT和MOS的優(yōu)點(diǎn),因而具有低導(dǎo)通壓降和高輸入阻抗的綜合優(yōu)點(diǎn)。IGBT自投入市場以來,已成為中、大功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。當(dāng)前IGBT工作電壓和工作電流的應(yīng)用水平已分別達(dá)到2500～6500V和600～2500A。

1.IGBT的結(jié)構(gòu)和符號(hào)IGBT也是3端器件,具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。圖6-39（a）所示為一個(gè)IGBN的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，由N溝道場效應(yīng)管與雙極型晶體管組合而成的IGBT的基本結(jié)構(gòu)圖6-39（b）所示為IGBN的電路符號(hào)。（a）

（b）圖6-39IGBN的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)（a）IGBN的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（b）IGBN的電路符號(hào)2.IGBT的工作原理如果在IGBT的門極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)電壓,使得場效應(yīng)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài),則晶體管的基極導(dǎo)通,從而晶體管的集電極和發(fā)射極也處于導(dǎo)通狀態(tài),此時(shí)IGBT相當(dāng)于閉合的開關(guān)。如果IGBT的門極和發(fā)射極之間電壓為0V,使得場效應(yīng)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài),則晶體管基極電流也截止,此時(shí)IGBT相當(dāng)于斷開的開關(guān)。3.IGBT的開關(guān)應(yīng)用原理IGBT有3個(gè)接口,其中集電極、發(fā)射極連接在強(qiáng)電路上,柵極連接控制單元的輸出引腳。當(dāng)控制單元對柵極輸出一個(gè)高電平信號(hào),集電極與發(fā)射極之間就處于導(dǎo)通狀態(tài),相當(dāng)于閉合開關(guān);當(dāng)控制單元對門極輸出一個(gè)低電平信號(hào),集電極與發(fā)射極之間就處于截止?fàn)顟B(tài),相當(dāng)于斷