《新能源汽车电力电子技术》教案 第4课 认识绝缘栅双极晶体管.docxVIP

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课题

认识绝缘栅双极晶体管

课时

2课时（90min）

教学目标

知识目标：

（1）掌握绝缘栅双极晶体管的结构、工作原理和主要特性。

（2）了解绝缘栅双极晶体管在新能源汽车上的应用。

技能目标：

能测试绝缘栅双极晶体管的特性。

素质目标：

（1）具有一定的沟通能力和团队意识。

（2）树立民族自尊心、自豪感和文化自信。

（3）养成安全、规范、高效完成工作的职业习惯。

教学重难点

教学重点：绝缘栅双极晶体管的结构、工作原理和主要特性

教学难点：绝缘栅双极晶体管的工作原理和主要特性

教学方法

讲授法、问答法、讨论法、实践教学法

教学用具

电脑、投影仪、多媒体课件、教材

教学过程

主要教学内容及步骤

考勤

【教师】使用APP进行签到

【学生】班干部报请假人员及原因

任务导入

【教师】展示“IGBT的电气图形符号”图片（详见教材），讲述“任务导入”的相关内容

在日常行驶时，新能源汽车的工作电流会高达上百安，而用于精确控制驱动电机输入电流的关键电力电子器件就是绝缘栅双极晶体管（insulatedgatebipolartransistor,IGBT）。在新能源汽车尤其是纯电动汽车中，IGBT是除动力蓄电池外最昂贵的部件。IGBT可分为N沟道型和P沟道型两种，其文字符号常用Q表示。

【学生】观看、聆听、理解、记忆

【教师】提出问题，随机邀请学生回答

仔细观察图片，N沟道型和P沟道型的电气图形符号有什么区别？

【学生】观察、聆听、思考、回答

传授新知

【教师】总结学生回答，讲解新知

IGBT是以电力晶体管（gianttransistor,GTR）为主导元件，以金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metaloxidesemiconductorfield-effecttransistor,MOSFET）为驱动元件构成的复合型半导体器件。其中，GTR饱和电压低，载流密度大，开通电阻小，开关速度较低，但驱动电流较大，驱动电路复杂；MOSFET输入阻抗高，开关速度快，所需驱动功率小且驱动电路简单，但开通电阻大。

IGBT作为复合型半导体器件，同时具有高输入阻抗和低开通电压两方面的优点。目前，IGBT主要应用于变速电机、电力系统、开关电源、新能源汽车等产品中。

【教师】扫码播放“IGBT的检测”微课视频（详见教材），展示“N沟道型IGBT的内部结构”图片（详见教材），讲解新知

1.3.1IGBT的结构

N沟道型IGBT的顶部N+层称为源区，从源区引出IGBT的发射极E（也称源极）；顶部栅区通过一层氧化膜与源区实现电气隔离，从栅区引出IGBT的门极G（也称栅极）；N基极称为漏区；底部P+层称为漏注入区，它是IGBT特有的功能区，与P+基极和漏区一起形成PNP型双极晶体管，从漏注入区引出IGBT的集电极C（也称漏极）。漏注入区向漏极注入空穴，可进行电导调制，从而降低器件的通态电压。

【教师】提出问题，随机邀请学生回答

IGBT的结构与晶闸管有哪些异同？

【学生】聆听、思考、回答

【教师】总结学生回答，讲述“点拨”的相关内容

IGBT由于栅区与源区之间的氧化膜很薄，其击穿电压一般为20～30V，因此门极击穿是造成IGBT失效的常见原因之一。

【学生】聆听、思考、理解、记忆

在实际应用中，一般所说的IGBT并不是指IGBT单管，而是指IGBT模块。它是由多个IGBT和二极管芯片组以绝缘方式组装到金属基板上，并通过特定的电路封装而成的。

相较于IGBT单管，IGBT模块主要有以下优点。

（1）IGBT模块的额定电流更大。

（2）IGBT外部电路连接的复杂性减少。

（3）IGBT模块的工作更可靠。

（4）IGBT模块电路布局更好，引线电感更小。

（5）IGBT模块更适合高压和大电流的场合。

1.3.2IGBT的工作原理

【教师】展示“IGBT的理想等效电路”图片（详见教材），讲解IGBT的工作原理

当在IGBT的门极和发射极之间施加正向电压UGE，且UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成导电沟道，为晶体管VJ1提供基极电流，此时IGBT开通。当在IGBT的门极和发射极之间施加反向电压UGE或不加电压时，MOSFET内的导电沟道消失，晶体管VJ1的基极电流被切断，此时IGBT关断。因此，IGBT是电压控制型器件。

【教师】讲述“点拨”的相关内容

由于IGBT存在电导调制效应，因此当IGBT开通时，基区扩散电阻RN将会减小，通态电压降也会减小。

【学生】聆听、思考、理解、记忆

1.3.3IGBT的主要特性

1．静态特性

【教师】展示“IGBT的静态特性曲线”图片（详见教材），讲解IGBT的静态特性

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