新能源汽車半導體元件的應用目錄學習目標情境描述知識解析任務實施課程思政學習目標01素養目標培養學生嚴謹規范的工匠精神了解中國芯，指導半導體前沿技術情況，培養學生的民族自豪感培養學生獨立自學、討論合作能力、信息獲取能力知識目標掌握二極管和三極管的結構和電路符號能對二極管、三極管進行檢測判斷好壞了解發電機的構造和原理，能對三相橋式整流電路的工作原理進行分析能對發電機整流器進行檢測

技能目標能對二極管進行正確檢測并判斷好壞能對三極管進行正確檢測并判斷好壞。能對汽車整流器進行檢測情境描述020102情境描述作為新能源汽車專業的學生，幫忙分析故障原因并進行檢測維修。新能源汽車維修店接待一客戶，反饋他的新能源汽車無法上電啟動，請求救援。IGBT主要應用于電動汽車領域中，負責直流/交流（DC/AC）逆變，使用電流較小的IGBT和FRD。了解IGBT需從半導體基礎知識講起，包括二極管、三極管、場效應管等，在新能源汽車上都有應用。整流器、電壓調節器和逆變器都使用了大量的半導體元器件，這些器件在新能源汽車中發揮著至關重要的作用。半導體元件在新能源汽車上的應用廣泛，如動力電池儲存直流電，而電機控制器中逆變器將直流電轉化為交流電。IGBT模塊在電動汽車中占據重要地位，是核心部件，占電動汽車成本近10%，充電柱成本約20%。任務分析

電池管理系統（BMS）中半導體器件應用電池監控與保護半導體器件用于實時監測電池狀態，包括電壓、電流和溫度等，確保電池安全、高效運行。電池能量管理半導體器件通過精確控制電池的充放電過程，實現電池能量的最大化利用，延長電池壽命。電池熱管理半導體器件在電池熱管理系統中發揮關鍵作用，通過調節散熱風扇、加熱元件等，確保電池工作在適宜的溫度范圍內。123半導體器件作為電機控制器的核心元件，負責將電池提供的直流電轉換為交流電，驅動電機運轉。電機驅動與控制在新能源汽車制動過程中，半導體器件可實現能量的回收與再利用，提高能源利用效率。能量回收與制動控制半導體器件具備故障診斷功能，可實時監測電機運行狀態，及時發現并處理潛在故障。故障診斷與保護電機控制器（MCU）中半導體器件應用半導體器件在充電樁中負責充電過程的精確控制，包括充電電流、電壓和時間的調節，確保充電過程安全、可靠。充電控制與保護通過半導體器件的功率因數校正、軟開關等技術手段，提高充電樁的充電效率，縮短充電時間。充電效率優化半導體器件支持充電樁與智能設備、云平臺的連接與通信，實現充電設施的智能化管理與遠程控制。充電設施智能化充電設施中半導體器件應用車載網絡系統半導體器件支持車載網絡系統的構建與運行，實現車內各電子控制單元之間的數據交換與通信。車載信息娛樂系統半導體器件在車載信息娛樂系統中發揮重要作用，負責音頻、視頻等多媒體信息的處理與傳輸。自動駕駛輔助系統在自動駕駛輔助系統中，半導體器件負責傳感器數據的采集與處理、決策與控制指令的生成與執行等關鍵任務。其他關鍵系統中半導體器件應用半導體常見類型及其特點具有單向導電性，可用于整流、檢波、穩壓等電路。具有放大和開關功能，是電子電路中的核心元件之一。輸入電阻高、噪聲低、功耗小，適用于放大和開關電路?？煽毓枵髌骷?，具有體積小、重量輕、效率高、壽命長等優點。二極管三極管場效應管晶閘管知識解析03二極管是一種具有兩個電極的電子器件，通常用于直流電路中，每個電極對應于電路中的正極或負極。整流器是一種用于將直流電轉換為交流電的設備，通常由二極管組成，每個二極管都連接在一個電路中。二極管與發電機整流器整流器二極管半導體材料自然界物體根據導電能力不同，可分為導體、絕緣體和半導體。半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，其中硅應用最廣泛。半導體分類第一代半導體材料是指硅和鍺等單質；第二代半導體材料是以砷化鎵、磷化銦為代表的化合物；第三代半導體材料通常指禁帶寬度大于2.3eV或等于2.3eV的半導體材料。半導體器件應用新能源汽車車載充電裝置使用第三代半導體碳化硅器件，可提高充電十分鐘行使里程至400公里，降低能耗50%。半導體基本知識半導體導電機理半導體的導電機理與其他物質不同，受外界熱和光作用時導電能力明顯變化，雜質摻入后導電能力也變化。載流子半導體中有兩種導電的“粒子”，自由電子和空穴，都參與導電，統稱為“載流子”。在外電場作用下，兩種載流子都可以做定向移動，形成電流。九個9制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。本征半導體中各原子之間靠得很近，使原分屬于各原子的四個價電子同時受到相鄰原子的吸引，分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。半導體基本知識

二極管結構及電路符號半導體二極管半導體二極管，也稱晶體二極管，是一種具有單向導電性的器件，通常由一個PN結封裝在密封的管殼內，并引出兩個電極。P區和N區半導體二極管通常與P區相連的引線為正極，與N區相連的引線為負極，具有兩個電極。電路符號在電路中，半導體二極管通常用字母VD或“D”表示，而舊標準中用“D”表示。類型按結構劃分，半導體二極管分為點接觸型二極管和面接觸型二極管，每種類型都有其獨特的應用場景。點接觸型二極管點接觸型二極管，也稱為鍺管，其PN結面積較小，適用于高頻信號的檢波和小電流的整流，也可用作脈沖數字電路的開關元件。面接觸型二極管面接觸型二極管，也稱為硅管，其PN結面積較大，可通過較大的電流，但工作頻率較低，一般用于低頻電路和大電流的整流電路中，也可以用在脈沖數字電路中作開關管。二極管結構及電路符號加在二極管兩端的電壓與通過它的電流之間的關系，也稱為電壓-電流關系曲線。二極管伏安特性曲線二極管伏安特性曲線和主要參數當二極管外加較小的正向電壓時，正向電流幾乎為零，可以認為二極管不導通的。正向特性死區電壓正向導通只有電壓達到一定值時，才有電流出現，這個電壓稱為二極管的死區電壓。當正向電壓大于死區電壓時，PN結內電場被大大削弱，二極管導通。030201二極管伏安特性曲線和主要參數在正常使用的電流范圍內，硅管導通時的正向壓降為0.6～0.8V；鍺管導通電壓為0.2～0.4V。正向壓降外加反向電壓不高時，由于少子的漂移運動，形成很小的反向電流，二極管處于截止狀態。反向特性在反向電壓不超過一定范圍時，反向電流的大小基本恒定，當反向電壓超過一定數值時，反向電流急劇增大。反向擊穿電壓二極管伏安特性曲線和主要參數最大整流電流極管最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的正向平均電流。最高反向工作電壓最高反向工作電壓是保證二極管不被擊穿而給出的最高反向電壓，一般為反向擊穿電壓的一半或三分之二。二極管伏安特性曲線和主要參數定子結構定子由線圈繞制，安裝在轉子外面，與轉子一起構成發電機的主要部分。汽車發電機組成汽車發電機通常由三相同步交流發電機和三相橋式全波整流器組成，包括定子、轉子、整流器、端蓋與電刷總成等。轉子結構轉子由磁場繞組、兩塊極爪組成，轉子結構如圖7-18所示。當轉子旋轉時，磁場繞組中的線圈會依次交替接通或斷開電流。汽車發電機的構造原理感應電動勢01定子繞組中產生感應電動勢，其頻率與轉子轉速成正比，可以通過整流器整流，將交流電轉化為直流電。整流器作用02汽車交流發電機的工作原理是利用三相橋式整流電路將定子繞組產生的交流電轉化為直流電，供給全車用電設備或給動力電池充電。三相橋式整流電路03汽車用交流發電機的整流器普遍采用三相橋式整流電路，由6-12個硅二極管組成，其中3個二極管接法共陽極組，3個二極管接法共陰極組。汽車發電機的構造原理每個時刻都有2個二極管同時導通，其中一個在共陰極組，是陽極電位最高的二極管；另一個在共陽極組，是陰極電位最低的二極管。輸出電壓穩定同時導通的兩個管子總是將發電機的輸出電壓加在負載兩端，使負載兩端得到一個比較平穩的脈動直流電壓，電壓在一個周期內有6個波紋。脈動直流電壓汽車發電機的構造原理123三極管是一種電子器件，在電路中起放大、振蕩、開關等作用，廣泛應用于各種電子設備和系統中。三極管交流發電機是一種用于產生交流電的裝置，通常由定子和轉子組成，并在電路中產生一定的電壓和電流。交流發電機電壓調節器是用于控制和穩定交流發電機輸出的設備，通常由電子器件和機械部件組成，以確保輸出電壓的穩定。電壓調節器三極管與交流發電機的電壓調節器每個三極管內部都是由2個PN結為主構成的，發射區和基區之間的PN結稱為發射結，集電區和基區之間的PN結稱為集電結。三極管的電極排列方式有NPN和PNP兩種，NPN型管和PN型管的區別僅僅是發射極箭頭的方向不同。三極管的類型箭頭方向代表了三極管集電極電流的正方向。三極管的外形三極管結構及電路符號晶體三極管的工作狀態與其兩個PN結上外加電壓有很大關系，當這兩個PN結外加電壓的偏置情況不同時，晶體管可能工作于放大、飽和、截止狀態。晶體三極管的工作狀態特性曲線反映了三極管各電極間電壓和各電極間電流之間的關系，是具體分析放大電路的重要依據，也是三極管特性的主要表達形式，包括輸入特性曲線和輸出特性曲線。特性曲線輸入特性曲線是指三極管輸入回路中，當集電極與發射極之間的電壓UCE保持某一恒定值時，加在晶體管的基極和發射極間的電壓UBE與它所產生的基極電流IB間的關系曲線。輸入特性曲線輸出特性曲線是指在一定的基極電流IB控制下，三極管的集電極與發射極之間的電壓UCE隨集電極電流IC變化的關系曲線。輸出特性曲線三極管輸入及輸出特性曲線汽車交流發電機電壓調節器的工作原理交流發電機通電產生磁場，轉子旋轉在定子中產生交流電，整流器將三相交流電轉化為直流電，電壓調節器控制轉子的磁場來調節發電機電壓，確保輸出電壓穩定。交流發電機電壓調節器的功能交流發電機電壓調節器在汽車發動機中發揮著至關重要的作用，它能夠控制發電機的輸出電壓，確保其在規定范圍內穩定運行，從而防止因電壓過高而燒壞用電設備和導致蓄電池過量充電。交流發電機電壓調節器的穩壓原理當電壓過高時，電壓調節器會切斷勵磁電流，利用三極管的特性，使發電機磁場減弱，從而降低發電機的端電壓；當電壓過低時，電壓調節器會接通勵磁電流，使發電機磁場增強，從而提升發電機的端電壓。汽車交流發電機電壓調節器的工作原理交流發電機電壓調節器的調節方式交流發電機電壓調節器通過動態調節勵磁電流的大小，實現了發電機輸出電壓的穩定。在汽車發動機運轉過程中，交流發電機電壓調節器能夠根據發動機的工作狀態和需求，自動調整勵磁電流的大小和方向。汽車交流發電機電壓調節器的工作原理場效應管是一種半導體器件，通常用于逆變器中，以控制電流和電壓。場效應管逆變器場效應管在逆變器中的作用逆變器的應用領域逆變器是一種電力電子設備，可以將直流電轉換為交流電，以便供應給負載。場效應管在逆變器中負責將直流電轉換為交流電，并控制電流和電壓。逆變器廣泛應用于各種領域，如家庭、工業、汽車等，用于將直流電轉換為交流電。場效應管與逆變器場效應晶體管（FET）通常簡稱為場效應管，是一種高輸入阻抗的電壓控制型半導體器件，在電路中的文字符號用字母“V”或“VF”、“VT”表示，舊標準用“FET”表示。場效應管分為結型場效應管（JFET）和絕緣柵型場效應管（MOSFET）兩大類。結型場效應管（JFET）因有兩個PN結而得名，絕緣柵型場效應管（JGFET）則在柵極和漏極之間引入了氧化物層作為絕緣層，柵極與其它電極完全絕緣。在絕緣柵型場效應管中，應用最為廣泛的是MOS場效應管，簡稱MOS管（即金屬-氧化物-半導體場效應管MOSFET）。場效應管的柵極相當于三極管的基極，源極和漏極分別對應于三極管的發射極和集電極。MOSFET管的結構及工作原理MOSFET管的結構及工作原理N溝道MOSFET管的形成過程如圖示，它先用一塊P型硅半導體材料作襯底，在其上面擴散了兩個N型區，再在上面覆蓋一層二氧化硅絕緣層，最后在N區上方用腐蝕的方法做成兩個孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內做成三個電極。MOS場效應管分為增強型（有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。根據導電方式的不同，MOSFET又分增強型、耗盡型。增強型是指在一定的偏置電壓下，MOSFET的源極和漏極之間的導電能力會增強，耗盡型則是指在一定的偏置電壓下，MOSFET的源極和漏極之間的導電能力會減弱。N溝道增強型MOSFET管工作原理要點三絕緣柵雙極型晶體管IGBT的結構及工作原理要點三IGBT的結構絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和BJT組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，具有驅動功率小、飽和壓降低的優點，非常適合應用于新能源汽車應用場景中的直流電壓為600V及以上的變流系統。02IGBT的工作原理當N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管IGBT結構中，N+區稱為源區，附于其上的電極稱為源極，N基極稱為漏區，器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱為柵極，溝道在緊靠柵區邊界形成。漏注入區在C、E兩極之間的P型區（溝道在該區域形成），稱為亞溝道區（Subchannelregion）。而漏區另一側的P+區稱為漏注入區（Draininjector），它是IGBT特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極晶體管，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態電壓。03絕緣柵雙極型晶體管IGBT的結構及工作原理01開關作用IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP（原來為NPN）晶體管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關斷。驅動方法IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴（少子），對N-層進行電導調制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態電壓。開通和關斷控制IGBT的開通和關斷是由柵極電壓來控制的。當柵極和發射極之間加上驅動正電壓，MOSFET內形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通；在柵極上加負電壓時，MOSFET內的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關斷。絕緣柵雙極型晶體管IGBT的結構及工作原理逆變器的構造及工作原理單相半橋型逆變電路中兩個電容容量很大且相等，將Ud分成相等的兩部分。單相半橋逆變電路逆變器是把直流電變成交流電的裝置，逆變電路是逆變器中最重要的部分，廣泛應用于蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源。逆變器純電動汽車的電源是動力電池，為了驅動電機工作，需要將直流電轉換為交流電，從而能夠提供足夠的動力。純電動汽車單相半橋型逆變器電路及工作波形直流側電容直流側接有兩個相互串聯的足夠大的電容，兩個電容的連接點是直流電源的中點，起到緩沖無功能量的作用。反饋二極管VD1、VD2稱為反饋二極管，它又起著使負載電流連續的作用，又稱續流二極管，在逆變過程中起續流作用。橋臂組成單相半橋逆變電路中有兩個橋臂，每個橋臂有一個可控器件IGBT和一個反并聯二極管組成，IGBT是逆變器中的核心器件。逆變器的構造及工作原理單相橋橋型逆變器電路及工作波形逆變過程在0～t1期間，V1開通，V2關斷；在t1～t2期間V1開通、V2關斷，因L對變化電流的阻礙作用，流過R、L的電流i0慢慢增大。開關器件信號在t2時刻給V1關斷信號，給V2開通信號，則V1關斷，但感性負載中不能立即改變方向，于是VD2導通續流。逆變器的構造及工作原理任務實施04任務實施確定任務的具體目標、要求和時間表，確保任務按時完成。合理分配人力、物力和財力等資源，確保任務順利完成。制定詳盡的任務計劃，包括時間、地點和步驟等，確保任務有序進行。根據實際情況及時調整任務計劃，確保任務順利完成。明確任務分配資源制定計劃及時調整半導體器件在汽車上應用廣泛，二極管、三極管的好壞、極性和管腳的判斷是基礎內容。半導體器件在汽車上的應用準備各式二極管、三極管若干，整流器4個，數字萬用表4個，導線若干。教具學具準備任務準備任務一二極管與整流電路的檢測任務二三極管的檢測實踐操作二極管的檢測根據電路圖符號標記判斷觀察外殼上的符號標記把表筆分別搭上二極管的兩極，然后再互換一下搭兩極的表筆，萬用表顯示數值另一次不顯示數值或者為1就說明這個二極管就是好的，顯示數值那次，紅表筆連接的是二極管正極，黑表筆連接的是二極管負極。在測量時若兩次的數值均很小，則二極管內部短路；若兩次測得的數值均很大或為1，則二極管內部開路。外殼為正極，中心引線為負極的二極管稱為負極管；外殼為負極，中心引線為正極的二極管稱為正極管。負極搭鐵的硅整流發電機中，3個正極管的外殼壓裝在散熱板的三個座孔內，共同組成發電機的正極。汽車交流發電機整流器的二極管分為正極管和負極管，中心引線和外殼分別是他們的兩個電極。汽車發電機整流器的檢測3個負極管的外殼壓裝在后端蓋的3個孔內，和發電機外殼一起成為發電機的負極。安裝二極管的散熱板稱為整流板，通常用合金制成以利散熱?，F代汽車用交流發電機一般都有兩塊整流板，安裝正極管的整流板（裝在外側）稱為正整流板。汽車發電機整流器的檢測拆開與發電機的連接線，將萬用表打到二極管檔分別測量正極管子與負極管子，每個二極管應分開進行兩次測量。安裝負極管的整流板（裝在內側）稱為負整流板，兩塊板絕緣地安裝在一起，它與后端蓋用尼龍或其他絕緣材料制成的墊片隔開且固定在端蓋上。檢測整流器主要是檢測二極管是否有斷路或擊穿現象，在測試時應將正、負整流板分開，否則無法正確判斷故障。汽車發電機整流器的檢測0102汽車發電機整流器的檢測