电力电子教学中电力电子器件的教学方法研究

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1、电力电子教学中电力电子器件的教学方法研究电力电子器件又称为功率半导体器件。在教学过程中，发现大部分学生仅仅能够记住电力电子器件的基本工作特性，而对于电力电子器件的工作原理，很多学生都表示难以理解和掌握。该文通过课堂教学实践和对教材的总结，发现对于没有半导体物理知识背景的工科学生来说，半导体PN结的知识在教授电力电子器件的工作原理中起着非常重要作用。基于此，该文探讨怎样将PN结的知识合理的运用到每种电力电子器件的教学当中。教学实践证明，将半导体PN结的知识作为电力电子器件的教学基础，并且从PN结的角度来分析和教授电力电子器件，不但

2、可以扩展学生的知识面，最重要的是可以使学生有能力清晰地理解电力电子器件的工作原理。电力电子技术是20世纪后半叶诞生的一门崭新的技术，它广泛应用于电气工程中。电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的[1-2]。可以说，新型电力电子器件的产生是推动电力电子技术发展的原动力。电力电子技术的教材一般分为三大部分，第一部分就是电力电子器件，是全部电力电子技术的基础[3]。第二部分是电力电子电路，即能量变换电路。第三部分是各种变流电路中的控制技术和软开关技术。电力电子器件在能量变换主电路中起着处理能量的作用，是实现电能变换和控制的

3、电子器件[4]。所以，电力电子器件的教学构成了电能变换电路和控制电路的教学所必不可少的基础环节。掌握电力电子器件的工作原理和工作特性可以为进一步学习电能变换电路奠定坚实的基础。在教学过程中发现，电气工程专业的大部分学生仅仅能够通过记忆来掌握电力电子器件的基本工作特性，而不能理解电力电子器件的工作原理。如果学生缺乏对电力电子器件工作原理的理解，将很容易忘记或者是记忆混淆各种电力电子器件的工作特性。该文将探讨如何改进教学方法来增加学生对电力电子器件工作原理的理解与掌握。教学分析与实践证明，将半导体的基本元素—PN结的知识运用到电力电

4、子器件的讲解中，将有助于学生消化和吸收各种电力电子器件的工作原理。下面将分两部分探讨电力电子器件的教学。第一部分是通过实践总结的对于电力电子教学有帮助的半导体PN结的基础知识。第二部分将探讨实践中是如何从半导体PN结的角度来分析和教授电力电子器件的工作原理。1半导体PN结的工作原理半导体中存在两种载流子，分别是带负电的自由电子和带正电的空穴，电子或者空穴的运动就形成了电流。本征半导体的自由电子和空穴的数目相同[5]。在本征半导体中掺入微量杂质，其导电性能便可显著增加[6]。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型

5、半导体。N型半导体中，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。P型半导体中，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。(1)PN结的形成。当N型半导体和P型半导体结合后，多数载流子因浓度上的差异开始向对方进行扩散运动，如图1所示。稳定后，在交界面的两侧便形成了一个不能移动的带异性电荷的离子层，这就是空间电荷区，也就是PN结，如图2所示。空间电荷区的电阻率很高。(2)PN结的单向导电性。此时，给PN结外加正向电压，PN结将正向偏置。外加正电压时，由于外加电场与内电场方向相反，使得内电场被削弱。当外加电场大于内电场时，N区的电子将跨过

6、空间电荷区进入到P区，P区的空穴也将进入到N区，因此形成了较大的正向电流，这时PN结处于导通状态。(见图3)当给PN结加反向电压时，如图4所示，PN结将反向偏置。由于此时的外电场方向与内电场相同，因此内电场将变宽，PN结呈现高阻态，PN结截止。PN结的“正向导通，反向截止”特性是PN结构成半导体器件的基础。学生牢固掌握和理解以上所述的PN结工作原理和特性，将有助于分析各种电力电子器件的工作原理。教学实践表明，如果在电力电子器件教学中，不给学生补充以上半导体PN结的知识，学生将很难理解电力电子器件的工作原理。尤其是对于电气工程学科

7、的学生来说，大部分学生没有半导体物理的知识背景，那么在学起电力电子器件这个章节时，很多学生感觉这个章节像是无根之木。在教学实践中给学生适当的补充了半导体PN结的基本知识，发现他能够促进学生对各种电力电子器件原理的认识。另外，教学实践表明，在教学过程中，从半导体PN结的角度来分析和教授电力电子器件的工作原理，是取得良好教学效果的关键。下面以晶闸管这种电力电子器件为例，探讨如何从PN结的角度来教授电力电子器件工作原理的教学方法。2半控器件——晶闸管的工作原理分析晶闸管也称为可控硅整流器件(SCR)，是由四层半导体材料并列放置而构成的

8、大功率半导体器件。四层半导体材料分别是PNPN型，如图5所示。连接第一层P型半导体的电极是阳极A，连接第三层P型半导体材料的电极是控制极G，连接第四层N型半导体材料的电极是阴极K。根据小节1中的半导体PN结的知识，学生可以很容易的得出，此四层PNPN型半导体材料