18_功率半导体器件应用教学大纲

《功率半导体器件应用》课程教学大纲

课程编号：

课程名称：功率半导体器件应用/ Applications of Power Semiconductor Devices 课程总学时/学分：48/3.0（其中理论36学时，实验12学时）

适用专业：电子科学与技术专业

一、教学目的和任务

功率半导体器件应用是电子科学与技术本科专业必修的一门专业核心课程。

功率半导体器件应用讲述功率器件（分立的和集成）的结构、功能、特性和特征，在此基础上分析当前电力电子技术中使用的各种类型功率半导体器件，包括功率晶体管、晶闸管、各类晶闸管及其应用、静电感应功率器件、双极-MOS功率器件，并包含了可靠工作条件，更进一步讲述其重要应用。根据电子科学与技术本科专业的特点和应用需要，在掌握功率半导体器件基本原理的基础上，使学生对功率半导体器件的应用有一个全面而系统的认识，并培养学生在工程实践中的应用能力，提高学生的创新能力。

二、教学基本要求

通过对计算机控制技术课程的学习，要求学生：

（1）了解如何使用和选择功率半导体，以及半导体和PN结的物理特性以及功率器件可靠工作的条件。

（2）熟悉功率器件的可靠工作条件以及在电力电子中的应用。

（3）掌握功率晶体管、晶闸管、各类晶闸管及其应用、金属-氧化物-半导体场效应功率晶体管、双极-MOS功率器件的结构、功能及其应用。

（4）掌握功率晶体管、晶闸管、各类晶闸管及其应用、金属-氧化物-半导体场效应功率晶体管、双极-MOS功率器件的结构、功能及其应用。

三、教学内容与学时分配

第一章（知识领域1）：功率半导体器件应用概述（2学时）。

（1）知识点：轨道交通系统中的应用；新能源技术中的应用；智能电网中的应用。

（2）重点与难点：重点是轨道交通系统中的应用、新能源技术中的应用和智能电网中的应用。

第二章（知识领域2）：双极结型功率晶体管（2学时）。

（1）知识点：双极结型晶体管结构的基本特性；功率晶体管的基本特性；功率晶体管

的动态行为；功率达林顿组合；功率晶体管的应用。

（2）重点与难点：重点是功率晶体管的动态行为和功率晶体管的应用。

第三章（知识领域3）：开关断晶闸管（GTO）：基本工作原理（4学时）。

（1）知识点：稳态工作；用以分析晶闸管开关工作的双晶体管模型；开通的瞬态过程；关断的瞬态过程。

（2）重点与难点：重点是稳态工作和用以分析晶闸管开关工作的双晶体管模型。重点是开通的瞬态过程和关断的瞬态过程。

第四章（知识领域4）：金属-氧化物-半导体场效应功率晶体管（4学时）。

（1）知识点：MOS晶体管的工作原理；纵向功率MOSFET的设计；功率MOSFET的开关特性；安全工作区（SOA）。

（2）重点与难点：重点是MOS晶体管的工作原理、纵向功率MOSFET的设计和功率MOSFET的开关特性。难点是MOS晶体管的工作原理、纵向功率MOSFET的设计。

第五章（知识领域5）：绝缘栅双极晶体管（IGBT）（4学时）。

（1）知识点：IGBT的结构和工作原理；IGBT的准数值分析模型；IGBT的等效电路模型；IGBT的开关特性和温度效应。

（2）重点与难点：重点是IGBT的结构和工作原理、IGBT的准数值分析模型。难点是IGBT的等效电路模型和开关特性。

第六章（知识领域6）：MATLAB(PLECS)仿真软件（2学时）。

（1）知识点：MATLAB(PLECS)软件的使用方法。

（2）重点与难点：重点是MA TLAB(PLECS)软件的使用方法。

第七章（知识领域7）：电源变换和控制技术（4学时）。

（1）知识点：交流到交流的变换；逆变器；非隔离型直流到直流变换器；变压器隔离型直流到直流变换器；半导体功率器件的驱动与保护电路。

（2）重点与难点：重点是交流到交流的变换；逆变器；非隔离型直流到直流变换器；变压器隔离型直流到直流变换器。难点是交流到交流的变换、逆变器和非隔离型直流到直流变换器。

第八章（知识领域8）：轨道交通系统中的应用（6学时）。

（1）知识点：轨道交通牵引理论概述；牵引电动机与运行；IGBT在轨道交通牵引系统斩波电路与逆变电路中的应用。

（2）重点与难点：重点是IGBT在轨道交通牵引系统斩波电路与逆变电路中的应用。

第九章（知识领域9）：新能源技术中的应用（4学时）。

（1）知识点：新能源转换与控制技术概述；太阳能电池与光伏发电原理；光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略。

（2）重点与难点：重点是太阳能电池与光伏发电原理。难点是光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略。

第十章（知识领域10）：智能电网中的应用（4学时）。

（1）知识点：智能电网的概念；智能电网中的多电平逆变器。

（2）重点与难点：重点是智能电网中的多电平逆变器。

四、教学方法及手段

本课程要采取知识与能力并重的教学方法。

1．课堂教学：实行启发式教学，主要突出重点、难点。主要抓住功率半导体器件的结构功能及应用重点教学，在教学过程中注重引入实例。

2．实验教学：基于Silvaco TCAD仿真软件，模拟半导体器件电学性能，和半导体工艺流程仿真，基于MA TLAB(PLECS)软件，仿真功率半导体电路，加强学生实践动手能力的培养。

3．采用多媒体教室、校园网络等现代教学手段，提高教学效率和质量。

五、实验或上机内容

实验一：绝缘栅双极晶体管仿真，2学时。实验目的：掌握IGBT原理和特性，并会使用Silvaco软件仿真IGBT器件。实验内容与方法：学会Silvaco仿真半导体器件的方法，用altlas语句模拟IGBT的二维器件，并给出器件特性的数值分析。

实验二：可控整流电路仿真，2学时。实验目的：掌握MA TLAB(PLECS)进行可控整流电路设计和仿真的方法。实验内容与方法：用MA TLAB(PLECS)设计可控整流电路，并给出输入输出时域波形分析。

实验三：DC-DC变换电路设计和仿真，4学时。实验目的：掌握MATLAB(PLECS)进行DC-DC变换电路设计和仿真的方法。实验内容与方法：用MA TLAB(PLECS)设计DC-DC 变换电路，并给出电流、电压变化曲线和效率曲线。

实验四：逆变器电路设计和仿真，4学时。实验目的：掌握MA TLAB(PLECS)进行逆变器电路设计和仿真的方法。实验内容与方法：用MA TLAB(PLECS)设计逆变器电路，并给出出电流、电压变化曲线和效率曲线。

六、先修课程、后续课程

先修课程：模拟电子技术及实验，数字电子技术及实验，半导体物理学，功率半导体器件基础，电力电子学