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摘 要：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。该文作者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。
关键词：电力电子技术 电力电子器件 半导体PN结 晶闸管
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0111-04
Abstract：Power electronic devices are semiconductor devices. During the teaching， it’s 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
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。第一部分是作者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作者是如何从半导体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。作者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型半导体材料放在一起便构成了J1、J2和J3三个PN结。因此，在教学过程中，如果教师可以给学生补充PN结知识，并且能够从PN结的角度来分析与教授晶闸管的工作原理，那么学生将很容易理解晶闸管的工作原理。下面将运用该文小节1中知识，从PN结的角度来分析和教授晶闸管的工作原理。
（1）反向特性。
给晶闸管的阳极A加负电压，阴极K加正电压，晶闸管承受反压，如图6所示。此时，我们可以利用小节1中的知识，从PN结的角度来分析晶闸管在承受反压情况下的特性。从图6中，我们可以看到，J1和J3两个PN结的P级都接了负电压，而N级都接了正电压。根据PN结原理，我们可以得出J1和J3两个PN结处于截止状态。另外，由于J2这个PN结的P级接了正电压，而N级接了负电压，根据PN结原理，我们可以判断，J2这个PN结是正向导通的。总的来说，在晶闸管承受反压时，J2正偏，J1和J3反偏，整个晶闸管器件将处于截止状态。随着反向电压增加到J1这个PN结的雪崩击穿电压时，J1结发生雪崩击穿，同时J3结也发生雪崩击穿，晶闸管的反向电流将迅速增加。
（2）门极无控制信号时的正向特性。
在不加控制信号的情况下，即门极G端不加电压时，给晶闸管的阳极A加正向电压，阴极K加负电压，此时晶闸管承受正向电压，如图7所示。根据小节1所讲述的PN结工作原理，学生可轻松判断，J1结和J3结处于正偏，而J2结处于反偏，晶闸管处于正向阻断状态。
（3）门极有控制信号时的正向特性。
当有门级控制信号时，也就是在门极G上加驱动电压时，给晶闸管的阳极A加正向电压，阴极K加负电压。从图7中，我们可以看到，J3结的P级将通过门极接正电压，N级接负电压，所以J3正偏。此时，电流从驱动门极G注入P2区，P2区的空穴进入N2区，由此形成触发电流IG。因为有电流从门极G注入到P2区，使得P2区的空穴大量增加。积累在P2区的空穴，使得P2区的电位升高。当注入电流使得P2区的电位升高到大于N1区电位时，J2结变成正偏。这时J1结，J2结和J3结均处于正偏，晶闸管进入正向导通状态。
（4）门极可控制其导通，不能控制其关断。
在门极G上有驱动电压且晶闸管承受正向电压的情况下，晶闸管导通。为了更清楚地和学生解释，晶闸管的门极不能控制其关断的特性，我们把晶闸管中间的N1P2结分成两部分，使晶闸管构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管，如图8所示。从图8中，我们可以看到每个晶体管的集电极电流同时又是另一个晶体管的基极电流，因此当有足够的门极电流IG流入时，就会形成强烈的电流正反馈，造成两晶体管饱和导通。此时，即使去掉IG，由于晶闸管内强烈的电流正反馈的存在，晶闸管将仍然处于导通状态。
根据以上四点原理分析，我们可将晶闸管的工作特性总结为以下几点。
（1）晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电压，晶闸管都处于截止状态。
（2）晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才导通。
（3）晶闸管在导通情况下，门极就失去了控制作用，无论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。
（4）若要使晶闸管关断，只能利用外电路使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值，晶闸管便关断。
教学实践中发现，通过从半导体PN结的角度来分析和教授晶闸管的原理，学生不用单靠记忆来记住晶闸管的四点工作原理，学生能够在理解的基础上进行消化和吸收，取得了很好的教学效果。
以上是以晶闸管的教学为例来探讨如何从半导体PN结的角度来分析和教授电力电子器件。在实际教学当中，作者还将半导体PN结的知识合理的运用到了其他电力电子器件的教学当中，如MOSFET和IGBT等。教学实践表明，在教授电力电子器件之前，给学生适当补充半导体PN结的知识，会使学生更容易理解各种电力电子器件的工作特性。另外，教学实践还表明，从PN结的角度来分析各种电力电子器件工作原理的教学方法，可以使学生举一反三和融会贯通地理解所教知识。
3 结语
电力电子器件的教学在整个电力电子技术中起着重要作用。好的电力电子器件的教学方法可以使学生理解和牢固掌握各种电力电子器件的原理及特性，为后续章节的学习起到重要的铺垫作用。通过教学实践表明，给工科学生适当补充半导体PN结的知识，可以为学生更好的理解各种电力电子器件的工作原理奠定基础。教学实践还表明，教学过程中从PN结的角度来分析和教授各种电力电子器件，可以使电力电子器件的工作原理化繁为简，使学生能够在理解的基础上消化与吸收各种电力电子器件的工作原理。
参考文献
[1]丁道宏.电力电子技术[M].北京：航空工业出版社，1999.
[2]徐德鸿，马皓，汪槱生.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2006.
[3]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.
[4]陈坚.电力电子学[M].北京：高等教育出版社，2002.
[5]尼曼.半导体物理与器件[M].赵毅强，译.北京：电子工业出版社，2010.
[6]裴素华.半导体物理与器件[M].北京：机械工业出版社，2008.
关键词：电力电子技术 电力电子器件 半导体PN结 晶闸管
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0111-04
Abstract：Power electronic devices are semiconductor devices. During the teaching， it’s 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
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。第一部分是作者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作者是如何从半导体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。作者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型半导体材料放在一起便构成了J1、J2和J3三个PN结。因此，在教学过程中，如果教师可以给学生补充PN结知识，并且能够从PN结的角度来分析与教授晶闸管的工作原理，那么学生将很容易理解晶闸管的工作原理。下面将运用该文小节1中知识，从PN结的角度来分析和教授晶闸管的工作原理。
（1）反向特性。
给晶闸管的阳极A加负电压，阴极K加正电压，晶闸管承受反压，如图6所示。此时，我们可以利用小节1中的知识，从PN结的角度来分析晶闸管在承受反压情况下的特性。从图6中，我们可以看到，J1和J3两个PN结的P级都接了负电压，而N级都接了正电压。根据PN结原理，我们可以得出J1和J3两个PN结处于截止状态。另外，由于J2这个PN结的P级接了正电压，而N级接了负电压，根据PN结原理，我们可以判断，J2这个PN结是正向导通的。总的来说，在晶闸管承受反压时，J2正偏，J1和J3反偏，整个晶闸管器件将处于截止状态。随着反向电压增加到J1这个PN结的雪崩击穿电压时，J1结发生雪崩击穿，同时J3结也发生雪崩击穿，晶闸管的反向电流将迅速增加。
（2）门极无控制信号时的正向特性。
在不加控制信号的情况下，即门极G端不加电压时，给晶闸管的阳极A加正向电压，阴极K加负电压，此时晶闸管承受正向电压，如图7所示。根据小节1所讲述的PN结工作原理，学生可轻松判断，J1结和J3结处于正偏，而J2结处于反偏，晶闸管处于正向阻断状态。
（3）门极有控制信号时的正向特性。
当有门级控制信号时，也就是在门极G上加驱动电压时，给晶闸管的阳极A加正向电压，阴极K加负电压。从图7中，我们可以看到，J3结的P级将通过门极接正电压，N级接负电压，所以J3正偏。此时，电流从驱动门极G注入P2区，P2区的空穴进入N2区，由此形成触发电流IG。因为有电流从门极G注入到P2区，使得P2区的空穴大量增加。积累在P2区的空穴，使得P2区的电位升高。当注入电流使得P2区的电位升高到大于N1区电位时，J2结变成正偏。这时J1结，J2结和J3结均处于正偏，晶闸管进入正向导通状态。
（4）门极可控制其导通，不能控制其关断。
在门极G上有驱动电压且晶闸管承受正向电压的情况下，晶闸管导通。为了更清楚地和学生解释，晶闸管的门极不能控制其关断的特性，我们把晶闸管中间的N1P2结分成两部分，使晶闸管构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管，如图8所示。从图8中，我们可以看到每个晶体管的集电极电流同时又是另一个晶体管的基极电流，因此当有足够的门极电流IG流入时，就会形成强烈的电流正反馈，造成两晶体管饱和导通。此时，即使去掉IG，由于晶闸管内强烈的电流正反馈的存在，晶闸管将仍然处于导通状态。
根据以上四点原理分析，我们可将晶闸管的工作特性总结为以下几点。
（1）晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电压，晶闸管都处于截止状态。
（2）晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才导通。
（3）晶闸管在导通情况下，门极就失去了控制作用，无论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。
（4）若要使晶闸管关断，只能利用外电路使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值，晶闸管便关断。
教学实践中发现，通过从半导体PN结的角度来分析和教授晶闸管的原理，学生不用单靠记忆来记住晶闸管的四点工作原理，学生能够在理解的基础上进行消化和吸收，取得了很好的教学效果。
以上是以晶闸管的教学为例来探讨如何从半导体PN结的角度来分析和教授电力电子器件。在实际教学当中，作者还将半导体PN结的知识合理的运用到了其他电力电子器件的教学当中，如MOSFET和IGBT等。教学实践表明，在教授电力电子器件之前，给学生适当补充半导体PN结的知识，会使学生更容易理解各种电力电子器件的工作特性。另外，教学实践还表明，从PN结的角度来分析各种电力电子器件工作原理的教学方法，可以使学生举一反三和融会贯通地理解所教知识。
3 结语
电力电子器件的教学在整个电力电子技术中起着重要作用。好的电力电子器件的教学方法可以使学生理解和牢固掌握各种电力电子器件的原理及特性，为后续章节的学习起到重要的铺垫作用。通过教学实践表明，给工科学生适当补充半导体PN结的知识，可以为学生更好的理解各种电力电子器件的工作原理奠定基础。教学实践还表明，教学过程中从PN结的角度来分析和教授各种电力电子器件，可以使电力电子器件的工作原理化繁为简，使学生能够在理解的基础上消化与吸收各种电力电子器件的工作原理。
参考文献
[1]丁道宏.电力电子技术[M].北京：航空工业出版社，1999.
[2]徐德鸿，马皓，汪槱生.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2006.
[3]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.
[4]陈坚.电力电子学[M].北京：高等教育出版社，2002.
[5]尼曼.半导体物理与器件[M].赵毅强，译.北京：电子工业出版社，2010.
[6]裴素华.半导体物理与器件[M].北京：机械工业出版社，2008.