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電力電子教學(xué)中電力電子器件的教學(xué)方法研究論文
電力電子器件又稱(chēng)為功率半導體器件。在教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現大部分學(xué)生僅僅能夠記住電力電子器件的基本工作特性，而對于電力電子器件的工作原理，很多學(xué)生都表示難以理解和掌握。該文作者通過(guò)課堂教學(xué)實(shí)踐和對教材的總結，發(fā)現對于沒(méi)有半導體物理知識背景的工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，半導體PN結的知識在教授電力電子器件的工作原理中起著(zhù)非常重要作用�；诖�，該文探討怎樣將PN結的知識合理的運用到每種電力電子器件的教學(xué)當中。教學(xué)實(shí)踐證明，將半導體PN結的知識作為電力電子器件的教學(xué)基礎，并且從PN結的角度來(lái)分析和教授電力電子器件，不但可以擴展學(xué)生的知識面，最重要的是可以使學(xué)生有能力清晰地理解電力電子器件的工作原理。
電力電子技術(shù)是20世紀后半葉誕生的一門(mén)嶄新的技術(shù)，它廣泛應用于電氣工程中。電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的[1-2]�？梢哉f(shuō)，新型電力電子器件的產(chǎn)生是推動(dòng)電力電子技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力。電力電子技術(shù)的教材一般分為三大部分，第一部分就是電力電子器件，是全部電力電子技術(shù)的基礎[3]。第二部分是電力電子電路，即能量變換電路。第三部分是各種變流電路中的控制技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。電力電子器件在能量變換主電路中起著(zhù)處理能量的作用，是實(shí)現電能變換和控制的電子器件[4]。所以，電力電子器件的教學(xué)構成了電能變換電路和控制電路的教學(xué)所必不可少的基礎環(huán)節。掌握電力電子器件的工作原理和工作特性可以為進(jìn)一步學(xué)習電能變換電路奠定堅實(shí)的基礎。
在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現，電氣工程專(zhuān)業(yè)的大部分學(xué)生僅僅能夠通過(guò)記憶來(lái)掌握電力電子器件的基本工作特性，而不能理解電力電子器件的工作原理。如果學(xué)生缺乏對電力電子器件工作原理的理解，將很容易忘記或者是記憶混淆各種電力電子器件的工作特性。該文將探討如何改進(jìn)教學(xué)方法來(lái)增加學(xué)生對電力電子器件工作原理的理解與掌握。教學(xué)分析與實(shí)踐證明，將半導體的基本元素—PN結的知識運用到電力電子器件的講解中，將有助于學(xué)生消化和吸收各種電力電子器件的工作原理。下面將分兩部分探討電力電子器件的教學(xué)。第一部分是作者通過(guò)實(shí)踐總結的對于電力電子教學(xué)有幫助的半導體PN結的基礎知識。第二部分將探討實(shí)踐中作者是如何從半導體PN結的角度來(lái)分析和教授電力電子器件的工作原理。
1 半導體PN結的工作原理
半導體中存在兩種載流子，分別是帶負電的自由電子和帶正電的空穴，電子或者空穴的運動(dòng)就形成了電流。本征半導體的自由電子和空穴的數目相同[5]。在本征半導體中摻入微量雜質(zhì)，其導電性能便可顯著(zhù)增加[6]。根據摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導體可分為N型半導體和P型半導體。N型半導體中，自由電子為多數載流子，空穴為少數載流子。P型半導體中，空穴為多數載流子，自由電子為少數載流子。
(1)PN結的形成。
當N型半導體和P型半導體結合后，多數載流子因濃度上的差異開(kāi)始向對方進(jìn)行擴散運動(dòng)，如圖1所示。穩定后，在交界面的兩側便形成了一個(gè)不能移動(dòng)的帶異性電荷的離子層，這就是空間電荷區，也就是PN結，如圖2所示�？臻g電荷區的電阻率很高。
(2)PN結的單向導電性。
此時(shí)，給PN結外加正向電壓，PN結將正向偏置。外加正電壓時(shí)，由于外加電場(chǎng)與內電場(chǎng)方向相反，使得內電場(chǎng)被削弱。當外加電場(chǎng)大于內電場(chǎng)時(shí)，N區的電子將跨過(guò)空間電荷區進(jìn)入到P區，P區的空穴也將進(jìn)入到N區，因此形成了較大的正向電流，這時(shí)PN結處于導通狀態(tài)。
當給PN結加反向電壓時(shí)，如圖4所示，PN結將反向偏置。由于此時(shí)的外電場(chǎng)方向與內電場(chǎng)相同，因此內電場(chǎng)將變寬，PN結呈現高阻態(tài)，PN結截止。
PN結的“正向導通，反向截止”特性是PN結構成半導體器件的基礎。學(xué)生牢固掌握和理解以上所述的PN結工作原理和特性，將有助于分析各種電力電子器件的工作原理。教學(xué)實(shí)踐表明，如果在電力電子器件教學(xué)中，不給學(xué)生補充以上半導體PN結的知識，學(xué)生將很難理解電力電子器件的工作原理。尤其是對于電氣工程學(xué)科的學(xué)生來(lái)說(shuō)，大部分學(xué)生沒(méi)有半導體物理的知識背景，那么在學(xué)起電力電子器件這個(gè)章節時(shí)，很多學(xué)生感覺(jué)這個(gè)章節像是無(wú)根之木。作者在教學(xué)實(shí)踐中給學(xué)生適當的補充了半導體PN結的基本知識，發(fā)現他能夠促進(jìn)學(xué)生對各種電力電子器件原理的認識。另外，教學(xué)實(shí)踐表明，在教學(xué)過(guò)程中，從半導體PN結的角度來(lái)分析和教授電力電子器件的工作原理，是取得良好教學(xué)效果的關(guān)鍵。下面以晶閘管這種電力電子器件為例，探討如何從PN結的角度來(lái)教授電力電子器件工作原理的教學(xué)方法。
2 半控器件—— 晶閘管的工作原理分析
晶閘管也稱(chēng)為可控硅整流器件(SCR)，是由四層半導體材料并列放置而構成的大功率半導體器件。四層半導體材料分別是PNPN型，如圖5所示。連接第一層P型半導體的電極是陽(yáng)極A，連接第三層P型半導體材料的電極是控制極G，連接第四層N型半導體材料的電極是陰極K。根據小節1中的半導體PN結的知識，學(xué)生可以很容易的得出，此四層PNPN型半導體材料放在一起便構成了J1、J2和J3三個(gè)PN結。因此，在教學(xué)過(guò)程中，如果教師可以給學(xué)生補充PN結知識，并且能夠從PN結的角度來(lái)分析與教授晶閘管的工作原理，那么學(xué)生將很容易理解晶閘管的工作原理。下面將運用該文小節1中知識，從PN結的角度來(lái)分析和教授晶閘管的工作原理。
(1)反向特性。
給晶閘管的陽(yáng)極A加負電壓，陰極K加正電壓，晶閘管承受反壓，如圖6所示。此時(shí)，我們可以利用小節1中的知識，從PN結的角度來(lái)分析晶閘管在承受反壓情況下的特性。從圖6中，我們可以看到，J1和J3兩個(gè)PN結的P級都接了負電壓，而N級都接了正電壓。根據PN結原理，我們可以得出J1和J3兩個(gè)PN結處于截止狀態(tài)。另外，由于J2這個(gè)PN結的P級接了正電壓，而N級接了負電壓，根據PN結原理，我們可以判斷，J2這個(gè)PN結是正向導通的�？偟膩�(lái)說(shuō)，在晶閘管承受反壓時(shí)，J2正偏，J1和J3反偏，整個(gè)晶閘管器件將處于截止狀態(tài)。隨著(zhù)反向電壓增加到J1這個(gè)PN結的雪崩擊穿電壓時(shí)，J1結發(fā)生雪崩擊穿，同時(shí)J3結也發(fā)生雪崩擊穿，晶閘管的反向電流將迅速增加。
(2)門(mén)極無(wú)控制信號時(shí)的正向特性。
在不加控制信號的情況下，即門(mén)極G端不加電壓時(shí)，給晶閘管的陽(yáng)極A加正向電壓，陰極K加負電壓，此時(shí)晶閘管承受正向電壓，如圖7所示。根據小節1所講述的PN結工作原理，學(xué)生可輕松判斷，J1結和J3結處于正偏，而J2結處于反偏，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。
(3)門(mén)極有控制信號時(shí)的正向特性。
當有門(mén)級控制信號時(shí)，也就是在門(mén)極G上加驅動(dòng)電壓時(shí)，給晶閘管的陽(yáng)極A加正向電壓，陰極K加負電壓。從圖7中，我們可以看到，J3結的P級將通過(guò)門(mén)極接正電壓，N級接負電壓，所以J3正偏。此時(shí)，電流從驅動(dòng)門(mén)極G注入P2區，P2區的空穴進(jìn)入N2區，由此形成觸發(fā)電流IG。因為有電流從門(mén)極G注入到P2區，使得P2區的空穴大量增加。積累在P2區的空穴，使得P2區的電位升高。當注入電流使得P2區的電位升高到大于N1區電位時(shí)，J2結變成正偏。這時(shí)J1結，J2結和J3結均處于正偏，晶閘管進(jìn)入正向導通狀態(tài)。
(4)門(mén)極可控制其導通，不能控制其關(guān)斷。
在門(mén)極G上有驅動(dòng)電壓且晶閘管承受正向電壓的情況下，晶閘管導通。為了更清楚地和學(xué)生解釋?zhuān)чl管的門(mén)極不能控制其關(guān)斷的特性，我們把晶閘管中間的N1P2結分成兩部分，使晶閘管構成一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管的復合管，如圖8所示。從圖8中，我們可以看到每個(gè)晶體管的集電極電流同時(shí)又是另一個(gè)晶體管的基極電流，因此當有足夠的門(mén)極電流IG流入時(shí)，就會(huì )形成強烈的電流正反饋，造成兩晶體管飽和導通。此時(shí)，即使去掉IG，由于晶閘管內強烈的電流正反饋的存在，晶閘管將仍然處于導通狀態(tài)。
根據以上四點(diǎn)原理分析，我們可將晶閘管的工作特性總結為以下幾點(diǎn)。
(1)晶閘管承受反向電壓時(shí)，無(wú)論門(mén)極是否有觸發(fā)電壓，晶閘管都處于截止狀態(tài)。
(2)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才導通。
(3)晶閘管在導通情況下，門(mén)極就失去了控制作用，無(wú)論門(mén)極觸發(fā)電流是否存在，晶閘管都保持導通。
(4)若要使晶閘管關(guān)斷，只能利用外電路使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數值，晶閘管便關(guān)斷。
教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現，通過(guò)從半導體PN結的角度來(lái)分析和教授晶閘管的原理，學(xué)生不用單靠記憶來(lái)記住晶閘管的四點(diǎn)工作原理，學(xué)生能夠在理解的基礎上進(jìn)行消化和吸收，取得了很好的教學(xué)效果。
以上是以晶閘管的教學(xué)為例來(lái)探討如何從半導體PN結的角度來(lái)分析和教授電力電子器件。在實(shí)際教學(xué)當中，作者還將半導體PN結的知識合理的運用到了其他電力電子器件的教學(xué)當中，如MOSFET和IGBT等。教學(xué)實(shí)踐表明，在教授電力電子器件之前，給學(xué)生適當補充半導體PN結的知識，會(huì )使學(xué)生更容易理解各種電力電子器件的工作特性。另外，教學(xué)實(shí)踐還表明，從PN結的角度來(lái)分析各種電力電子器件工作原理的教學(xué)方法，可以使學(xué)生舉一反三和融會(huì )貫通地理解所教知識。
3 結語(yǔ)
電力電子器件的教學(xué)在整個(gè)電力電子技術(shù)中起著(zhù)重要作用。好的電力電子器件的教學(xué)方法可以使學(xué)生理解和牢固掌握各種電力電子器件的原理及特性，為后續章節的學(xué)習起到重要的鋪墊作用。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐表明，給工科學(xué)生適當補充半導體PN結的知識，可以為學(xué)生更好的理解各種電力電子器件的工作原理奠定基礎。教學(xué)實(shí)踐還表明，教學(xué)過(guò)程中從PN結的角度來(lái)分析和教授各種電力電子器件，可以使電力電子器件的工作原理化繁為簡(jiǎn)，使學(xué)生能夠在理解的基礎上消化與吸收各種電力電子器件的工作原理。
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