- 相關(guān)推薦
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)踐和對教材的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)對于沒有半導(dǎo)體物理知識背景的工科學(xué)生來說，半導(dǎo)體PN結(jié)的知識在教授電力電子器件的工作原理中起著非常重要作用�；诖�，該文探討怎樣將PN結(jié)的知識合理的運(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(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]�？梢哉f，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。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�？臻g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)，由于外加電場與內(nèi)電場方向相反，使得內(nèi)電場被削弱。當(dāng)外加電場大于內(nèi)電場時(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)。
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)的外電場方向與內(nèi)電場相同，因此內(nèi)電場將變寬，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，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)生來說，大部分學(xué)生沒有半導(dǎo)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(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，發(fā)現(xiàn)他能夠促進(jìn)學(xué)生對各種電力電子器件原理的認(rèn)識。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，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，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，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，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級都接了負(fù)電壓，而N級都接了正電壓。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級接了正電壓，而N級接了負(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)門極無控制信號時(shí)的正向特性。
在不加控制信號的情況下，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)門極有控制信號時(shí)的正向特性。
當(dāng)有門級控制信號時(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級將通過門極接正電壓，N級接負(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，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。
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，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，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。
【電力電子教學(xué)中電力電子器件的教學(xué)方法研究論文】相關(guān)文章：
電力電子裝置在電力系統(tǒng)的應(yīng)用論文06-13
噴墨打印技術(shù)的研究及其在電子器件產(chǎn)品中的應(yīng)論文09-05
電力電子晶閘管參數(shù)的選擇論文08-16
項(xiàng)目管理在電力工程中的應(yīng)用研究論文10-12
電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用探討06-22
電力企業(yè)電子化招投標(biāo)策略研究論文08-24
電力通信技術(shù)研究論文10-09
干燥環(huán)境對電子器件的影響論文09-05
農(nóng)村電力市場的研究08-23