電力電子教學(xué)中電力電子器件的教學(xué)方法研究

陶雪慧

摘 要：電力電子器件又稱為功率半導(dǎo)體器件。在教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)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(duì)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。該文作者通過課堂教學(xué)實(shí)踐和對(duì)教材的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于沒有半導(dǎo)體物理知識(shí)背景的工科學(xué)生來說，半導(dǎo)體PN結(jié)的知識(shí)在教授電力電子器件的工作原理中起著非常重要作用。基于此，該文探討怎樣將PN結(jié)的知識(shí)合理的運(yùn)用到每種電力電子器件的教學(xué)當(dāng)中。教學(xué)實(shí)踐證明，將半導(dǎo)體PN結(jié)的知識(shí)作為電力電子器件的教學(xué)基礎(chǔ)，并且從PN結(jié)的角度來分析和教授電力電子器件，不但可以擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)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。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù) 電力電子器件 半導(dǎo)體PN結(jié) 晶閘管

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（b）-0111-04

Abstract：Power electronic devices are semiconductor devices. During the teaching， its found that most of students can remember performance characteristics of power electronics， but hardly understand the operating principle. Based on the teaching practice and teaching material， the author found that knowledge of semiconductor PN junction plays an important role in teaching and learning of power electronic devices， especially for the students of engineering who do not have the background of semiconductor physics. In this case， this paper investigates how to apply the knowledge of PN junction into teaching of power electronic devices. The teaching results prove that taking the knowledge of PN junction as the fundamental knowledge of power electric devices and analyzing the power electronic devices from the view of PN junction， can not only expand students knowledge scope， but also can help student to clearly understand the operating principle of power electronic devices. Good teaching results have been obtained.

Key words：Power electronics；Power electronic devices；Semiconductor PN junction；Thyrister

電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生的一門嶄新的技術(shù)，它廣泛應(yīng)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]。可以說，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(chǔ)[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)和軟開關(guān)技術(shù)。電力電子器件在能量變換主電路中起著處理能量的作用，是實(shí)現(xiàn)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(gòu)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(chǔ)環(huán)節(jié)。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(xí)電能變換電路奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，電氣工程專業(yè)的大部分學(xué)生僅僅能夠通過記憶來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(duì)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)方法來增加學(xué)生對(duì)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(dǎo)體的基本元素—PN結(jié)的知識(shí)運(yùn)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實(shí)踐總結(jié)的對(duì)于電力電子教學(xué)有幫助的半導(dǎo)體PN結(jié)的基礎(chǔ)知識(shí)。第二部分將探討實(shí)踐中作者是如何從半導(dǎo)體PN結(jié)的角度來分析和教授電力電子器件的工作原理。

1 半導(dǎo)體PN結(jié)的工作原理

半導(dǎo)體中存在兩種載流子，分別是帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴，電子或者空穴的運(yùn)動(dòng)就形成了電流。本征半導(dǎo)體的自由電子和空穴的數(shù)目相同[5]。在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)，其導(dǎo)電性能便可顯著增加[6]。根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。P型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子。

（1）PN結(jié)的形成。

當(dāng)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后，多數(shù)載流子因濃度上的差異開始向?qū)Ψ竭M(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。穩(wěn)定后，在交界面的兩側(cè)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(qū)，也就是PN結(jié)，如圖2所示。空間電荷區(qū)的電阻率很高。

（2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

此時(shí)，給PN結(jié)外加正向電壓，PN結(jié)將正向偏置。外加正電壓時(shí)，由于外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，使得內(nèi)電場(chǎng)被削弱。當(dāng)外加電場(chǎng)大于內(nèi)電場(chǎng)時(shí)，N區(qū)的電子將跨過空間電荷區(qū)進(jìn)入到P區(qū)，P區(qū)的空穴也將進(jìn)入到N區(qū)，因此形成了較大的正向電流，這時(shí)PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。（見圖3）

當(dāng)給PN結(jié)加反向電壓時(shí)，如圖4所示，PN結(jié)將反向偏置。由于此時(shí)的外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)相同，因此內(nèi)電場(chǎng)將變寬，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻態(tài)，PN結(jié)截止。

PN結(jié)的“正向?qū)ǎ聪蚪刂埂碧匦允荘N結(jié)構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。學(xué)生牢固掌握和理解以上所述的PN結(jié)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(bǔ)充以上半導(dǎo)體PN結(jié)的知識(shí)，學(xué)生將很難理解電力電子器件的工作原理。尤其是對(duì)于電氣工程學(xué)科的學(xué)生來說，大部分學(xué)生沒有半導(dǎo)體物理的知識(shí)背景，那么在學(xué)起電力電子器件這個(gè)章節(jié)時(shí)，很多學(xué)生感覺這個(gè)章節(jié)像是無根之木。作者在教學(xué)實(shí)踐中給學(xué)生適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充了半導(dǎo)體PN結(jié)的基本知識(shí)，發(fā)現(xiàn)他能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)各種電力電子器件原理的認(rèn)識(shí)。另外，教學(xué)實(shí)踐表明，在教學(xué)過程中，從半導(dǎo)體PN結(jié)的角度來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(jié)的角度來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

晶閘管也稱為可控硅整流器件（SCR），是由四層半導(dǎo)體材料并列放置而構(gòu)成的大功率半導(dǎo)體器件。四層半導(dǎo)體材料分別是PNPN型，如圖5所示。連接第一層P型半導(dǎo)體的電極是陽極A，連接第三層P型半導(dǎo)體材料的電極是控制極G，連接第四層N型半導(dǎo)體材料的電極是陰極K。根據(jù)小節(jié)1中的半導(dǎo)體PN結(jié)的知識(shí)，學(xué)生可以很容易的得出，此四層PNPN型半導(dǎo)體材料放在一起便構(gòu)成了J1、J2和J3三個(gè)PN結(jié)。因此，在教學(xué)過程中，如果教師可以給學(xué)生補(bǔ)充PN結(jié)知識(shí)，并且能夠從PN結(jié)的角度來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(yùn)用該文小節(jié)1中知識(shí)，從PN結(jié)的角度來分析和教授晶閘管的工作原理。

（1）反向特性。

給晶閘管的陽極A加負(fù)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(jié)1中的知識(shí)，從PN結(jié)的角度來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(jié)的P級(jí)都接了負(fù)電壓，而N級(jí)都接了正電壓。根據(jù)PN結(jié)原理，我們可以得出J1和J3兩個(gè)PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。另外，由于J2這個(gè)PN結(jié)的P級(jí)接了正電壓，而N級(jí)接了負(fù)電壓，根據(jù)PN結(jié)原理，我們可以判斷，J2這個(gè)PN結(jié)是正向?qū)ǖ摹？偟膩碚f，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?fàn)顟B(tài)。隨著反向電壓增加到J1這個(gè)PN結(jié)的雪崩擊穿電壓時(shí)，J1結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，同時(shí)J3結(jié)也發(fā)生雪崩擊穿，晶閘管的反向電流將迅速增加。

（2）門極無控制信號(hào)時(shí)的正向特性。

在不加控制信號(hào)的情況下，即門極G端不加電壓時(shí)，給晶閘管的陽極A加正向電壓，陰極K加負(fù)電壓，此時(shí)晶閘管承受正向電壓，如圖7所示。根據(jù)小節(jié)1所講述的PN結(jié)工作原理，學(xué)生可輕松判斷，J1結(jié)和J3結(jié)處于正偏，而J2結(jié)處于反偏，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。

（3）門極有控制信號(hào)時(shí)的正向特性。

當(dāng)有門級(jí)控制信號(hào)時(shí)，也就是在門極G上加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，給晶閘管的陽極A加正向電壓，陰極K加負(fù)電壓。從圖7中，我們可以看到，J3結(jié)的P級(jí)將通過門極接正電壓，N級(jí)接負(fù)電壓，所以J3正偏。此時(shí)，電流從驅(qū)動(dòng)門極G注入P2區(qū)，P2區(qū)的空穴進(jìn)入N2區(qū)，由此形成觸發(fā)電流IG。因?yàn)橛须娏鲝拈T極G注入到P2區(qū)，使得P2區(qū)的空穴大量增加。積累在P2區(qū)的空穴，使得P2區(qū)的電位升高。當(dāng)注入電流使得P2區(qū)的電位升高到大于N1區(qū)電位時(shí)，J2結(jié)變成正偏。這時(shí)J1結(jié)，J2結(jié)和J3結(jié)均處于正偏，晶閘管進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。

（4）門極可控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷。

在門極G上有驅(qū)動(dòng)電壓且晶閘管承受正向電壓的情況下，晶閘管導(dǎo)通。為了更清楚地和學(xué)生解釋，晶閘管的門極不能控制其關(guān)斷的特性，我們把晶閘管中間的N1P2結(jié)分成兩部分，使晶閘管構(gòu)成一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管的復(fù)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(dāng)有足夠的門極電流IG流入時(shí)，就會(huì)形成強(qiáng)烈的電流正反饋，造成兩晶體管飽和導(dǎo)通。此時(shí)，即使去掉IG，由于晶閘管內(nèi)強(qiáng)烈的電流正反饋的存在，晶閘管將仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)。

根據(jù)以上四點(diǎn)原理分析，我們可將晶閘管的工作特性總結(jié)為以下幾點(diǎn)。

（1）晶閘管承受反向電壓時(shí)，無論門極是否有觸發(fā)電壓，晶閘管都處于截止?fàn)顟B(tài)。

（2）晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才導(dǎo)通。

（3）晶閘管在導(dǎo)通情況下，門極就失去了控制作用，無論門極觸發(fā)電流是否存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。

（4）若要使晶閘管關(guān)斷，只能利用外電路使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值，晶閘管便關(guān)斷。

教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，通過從半導(dǎo)體PN結(jié)的角度來分析和教授晶閘管的原理，學(xué)生不用單靠記憶來記住晶閘管的四點(diǎn)工作原理，學(xué)生能夠在理解的基礎(chǔ)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)為例來探討如何從半導(dǎo)體PN結(jié)的角度來分析和教授電力電子器件。在實(shí)際教學(xué)當(dāng)中，作者還將半導(dǎo)體PN結(jié)的知識(shí)合理的運(yùn)用到了其他電力電子器件的教學(xué)當(dāng)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(dāng)補(bǔ)充半導(dǎo)體PN結(jié)的知識(shí)，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(jié)的角度來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(shí)。

3 結(jié)語

電力電子器件的教學(xué)在整個(gè)電力電子技術(shù)中起著重要作用。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(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)起到重要的鋪墊作用。通過教學(xué)實(shí)踐表明，給工科學(xué)生適當(dāng)補(bǔ)充半導(dǎo)體PN結(jié)的知識(shí)，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(chǔ)。教學(xué)實(shí)踐還表明，教學(xué)過程中從PN結(jié)的角度來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(chǔ)上消化與吸收各種電力電子器件的工作原理。

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