功率二极管的启发式教学方法研究_管乐诗.pdf

第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2022-03-08;修回日期:2022-06-09基金项目:哈尔滨工业大学本科教育教学改革研究项目(2021 05)第一作者:管乐诗(1990)，男，博士，副教授，博士生导师，主要从事电力电子的教学及研究工作，E-mail:guanyueshi hit edu cn功率二极管的启发式教学方法研究管乐诗王懿杰杨明(哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001)摘要:近年来“电力电子技术”在电气工程教学体系的系列课程中所起到的作用越来越凸显。如何在现有的教学体系条件下，尽可能发掘学生的主观能动性，不断激发学生思考问题的能力成为教师所面临的难题。以功率二极管器件部分的教学内容为例，阐述了如何将启发式教学应用于相关授课内容，并说明了具体实施方式，希望能够借助该教学案例为该课程其他教学内容采用启发式教学提供借鉴和参考。关键词:电力电子技术;启发式教学;功率二极管中图分类号:G420文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0142-04esearch on Heuristic Teaching Method of Power DiodeGUAN YueshiWANG YijieYANG Ming(School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)Abstract:ecently the role of Power Electronics Technology in the series of courses of electrical engineering has become moreand more prominent How to explore students subjective initiative as much as possible under the existing teaching conditions，and how to continuously stimulate students ability to think about problems have become a difficult problem faced by teachersThis article takes the teaching content of the power diode as an example to explain how to apply heuristic teaching method toteaching process of related content，and shows the specific implementation method It is hoped that the teaching method can beused for other contents of this courseKeywords:power electronics technology;heuristic teaching method;power diode从 1957 年晶闸管的发明至今，电力电子技术飞速发展。人类的电能的利用向着可靠、高效、便捷的趋势迅速发展。电能利用方式的进步与变革，无一不依靠电力电子技术的不断革新与进步。特别是近年来可再生能源的不断发展，电力电子变换技术成为可再生能源高效利用的极为重要的一个环节。因此，“电力电子技术”课程将为后续专业课程的学习和电气工程其他内容的研究与应用打下良好的基础1。对于学生而言，“电力电子技术”的学习往往以被动吸收为主，学习比较死板。学生只是针对学习过的特定拓扑和器件，掌握他们的工作原理、主要波形、输出特性等。一旦电路拓扑发生变化，应用场景发生变化，使用条件发生变化，学生难以具备灵活应用的能力，相关问题制约了学生后续的良性发展。反之，如何能够提升学生在以后科研及工作过程中，面临不同应用场景、不同应用问题时灵活应用知识解决困难的能力极为重要，这也是工程教育给我们专业课程提出的要求与挑战2。为了达到上述目标，最重要的手段就是转变教学主体，学生应取代教师变为授课主要人员，教师在教学过程扮演的大部分角色应该是穿针引线和牵线搭桥，让学生具有主动学习的意识，自己编织出知识网络架构，对于核心问题有透彻的理解。在以学生为主体的教学方法中，启发式教学又显得尤为重要3。让学生从麻木的接收知识状态中转变出来，不断地引导其转换思维，对新接触的电力电子知识产生兴趣，回归原始，对新鲜的知识产生好奇与疑问。但该过程的建立需要循序渐进，教师需要构建出逻辑清晰、梯度适中的引导性问题，采用启发式的教学方法，培养学生从好奇心出发，自主提出问题、思考问题、解决问题的能力。本文以“电力电子技术”课程中的最初始小节“功率二极管”为例，采用提出问题、引导思考、给出结论的三步方法，构建依次递进的引导问题，使得学生在问问题、答问题的过程中，将相应的知识点理解掌握。通过相关的启发性教学方法，使学生转变为主体，加深对知识内容的理解与掌握。同时，基于该方法可以不断提升学生应用知识解决其他场景问题的能力，从而进一步增强创新意识与创新能力4。1启发式教学与“电力电子技术”课程进步源于思考和疑问，好奇心永远是人类进步的最终推动力。在“电力电子技术”这门课程中，提出问题、了解现有技术成果背后的发展路径十分重要。在电能变换与利用飞速发展的时代，器件、拓扑的革新日新月异，我们面临的问题也百花齐发，但不同问题的解决方法可能会存在一定的相似性，之前的发展路径可能会存在借鉴之处。如果能够根据已经学习过的知识逻辑来提出问题，则能够推动相关问题的解决。因此在课程的学习过程中就需要不断地训练、强化、提升学生提出问题、解决问题的意识与能力。在“电力电子技术”的教学过程中，我们往往直接给出器件的特性如何，直接给出拓扑结构并讲解电路如何工作。在相关的教学过程中，学生往往只是以吸收、消化为主，他们直接到达了可用器件、可用拓扑的最后一站，虽然了解掌握了实用化的知识，但是为什么要这么做，达到最终一步之前，学者们经历了怎样的思考、探索这一重要的启发和提问过程往往是缺失的。因此，在电力电子课程的讲授过程中，问题的引导、相关问题的梯度性、学生兴趣的可激发性等十分重要。本文以“电力电子技术”中的开端小节 功率二极管为例，讲授“电力电子技术”课程的启发式教学方法。本文所采用的启发式教学方法希望通过冰山一角来启发引导学生提出问题、思考问题，不以最终结果为导向，而是以过程为导向，希望能够通过相关的思考，加深学生对所学习内容的理解，进一步提升其提出问题、解决问题的能力。2功率二极管教学案例作为电力电子技术中非常重要的一类元件，二极管广泛的应用于各类电路及系统中，甚至可以说是任何电路、变换器所必不可少的元素。因此，了解并掌握功率二极管与小功率电子二极管的区别，以及其工作原理、工作特性极为重要。本教学案例从功率二极管的基本材料 P 型半导体、N 型半导体及 PN 结作为出发点，逐步讲授了二极管(PN 结)的单向导电性，进一步阐述低掺杂区的引入原因及其影响，最后介绍了寄生电容影响及新型结构，通过回顾及 5 个层层递进的引导式问题，将功率二极管的结构、工作原理及特性清晰的阐述，并通过问题引导学生深入思考与剖析。下面将仔细阐述。回顾:什么是 P 型半导体和 N 型半导体材料?PN 结是如何形成的?学生自主回忆:P 型半导体和 N 型半导体均是在纯净硅的基础上进行掺杂得到的具有一定导电能力的材料(教师可在回忆后辅助给出图 1，明确N 型半导体含电子、P 型半导体含空穴)。在两半导体材料衔接处，由于扩散和漂移作用，将会形成具有内电势的 PN 结，PN 内由离子构成(教师可在回忆后辅助给出图 2)。图 1P 型半导体、N 型半导体构成图 2PN 结势垒区示意图问题 1:二极管的开关状态如何实现，电力电子中的功率二极管是一种什么样的二极管?引导学生进行思考:那么在 PN 结间施加正向电压后，扩散作用是会被促进还是被削弱?漂移作用的影响又会怎样?如果施加反向电压呢?电力电子中的功率二极管工作条件有什么特点呢?给出思路与结论:在 PN 结间施加正向电压后，其方向同势垒区电压相反，从而使得势垒区变窄，促进漂移作用，当正向电压能够完全抵消势垒区电压影响后，二极管完全导通。反之，施加反向电压，使得势垒区进一步拓宽，促进漂移作用，导致二极管截止关断。电力电子中功率二极管的工作条件特点体现在“功率”二字，因此我们可认为功率二极管就是能够承受高电压、流经大电流的一种341第 3 期管乐诗，等:功率二极管的启发式教学方法研究二极管。问题 2:电力电子二极管需要承受较大的反向电压，如何在初始的 PN 结基础上改进，来提升二极管承受反向电压的能力呢?引导学生进行思考:掺杂的 P 型半导体或 N型半导体具有一定的导电能力。纯净的半导体或特别低掺杂、少掺杂的半导体能够承受较高的电压。如何将低掺杂、少掺杂的半导体融合到现有PN 结中呢?给出思路与结论:如图 3 所示，一般功率二极管的结构是在原有的 P 型半导体和 N 型半导体间加入一层低掺杂的 N 型半导体，这一层可近似认为纯净的半导体就会有效地提升功率二极管承受反向电压的能力。相应的功率二极管结构也称为P-i-N 结构。图 3功率二极管结构示意图问题 3:对于功率二极管，我们非常关注的一个指标就是导通压降或者导通损耗，增加了低掺杂区后，在流经较大电流时，会不会产生较大的压降，从而导致较大的导通损耗?引导学生进行思考:低掺杂区可以近似地认为是纯净的半导体，因此该区域可以认为是电中性区域。当二极管流经较大电流时，会有较多的空穴流入低掺杂 N 型半导体，由 P 区流向 N 区，但是由于低掺杂区需要保持电中性特性，因此相应地会有较多的电子流入低掺杂区来保持其电中性特性。给出思路与结论:在低掺杂区中，可以自由移动的空穴和电子数目都大幅增加后，意味着低掺杂区的导电能力随着电流的增大而不断增强，也意味着电导率增加、电阻率下降，这种现象被称为电导调制效应，如图 4 所示。因此，采用了 P-i-N 结构后，功率二极管在流经较大电流时并不会出现导通压降增大的问题，在流经不同电流时，可以近似地认为功率二极管的导通压降保持不变。问题 4:在开通和关断过程中，在势垒区中集聚的电荷是否有变化?这种变化又会带来什么问题?图 4电导调制效应示意图引导学生进行思考:通过前面的学习我们已经了解功率二极管开通和关断的特性，但是在二极管不断的开通与关断过程中，势垒区中的电荷将不断变化，当二极管导通时，大量的少子将会聚集在势垒区中。而当二极管关断时，在势垒区中的少子将会急剧减少，如图 5 所示。给出思路与结论:电荷的变化意味着电容的产生，因为电容的定义就是电荷随时间的变化。故二极管的开通和关断过程可以理解为电容的充电与放电，因此，二极管的开关一定存在一定的过渡时间，开关频率受到制约。进一步可以拓展到其他器件，凡是有 PN 结的地方，都会有寄生电容，因此基于 PN 原理导电的器件，其开通关断速度受电容充放电时间的制约。图 5PN 结电荷分布示意图问题 5:基于 PN 结的功率二极管可以看成是多子导电器件还是少子导电器件?如何能够提升开关速率，特别是关断速率?引导学生进行思考:从对功率二极管导通过程的分析中我们可以看出，在其导通过程中，是大量的空穴流入 N 区，同时大量的电子流入 P 区，空穴在 N 区中是少子而电子在 P 区中也是少子。当而功率二极管关断时，大量的少子需要重新复合回归到相应区域(即电子回归 N 区，空穴回归 P 区)，同时也可以理解为 PN 结的等效电容需要放电，因此其开关过程，特别是关断过程需要较长时间。如果有一种二极管结构不依赖于 PN 结，完全靠电子或空穴单独导电，其开关速度应该会大幅提升。给出思路与结论:从载流子的工作特性可以看出基于 PN 结的功率二极管是一种少子导电的器441电气电子教学学报第 45 卷件。相关的结论也可以扩展到凡是基于 PN 结导电的其他电力电子器件。我们考虑金属是靠电子导电的材质，因此考虑是否可以利用金属中的电子与 N 型半导体中的电子来构成二极管。如图 6 所示即为基于利用金属与 N 型半导体构建肖特基二极管，其完全依靠电子进行导电，在金属和 N 型半导体中均为多子，同时关断时也不会存在少子缓慢复合的过程，因此其开关速度快。图 6肖特基二极管结构示意图最后，在本堂课结束前可以让学生自主回顾整个功率二极管的工作特性、结构演进、性能参数的学习过程，加深对启发式学习和知识点的认识。同时引导学生在后续电力电子课程学习过程中，考虑采用类似的思维与学习方式。3结语本文所采用的启发式教学方法通过构建阶梯式问题组启发引导学生自主提出问题、思考问题，不以最终结果为导向，而是以过程为导向，希望能够通过相关的思考，加深学生对所学习内容的理解，进一步提升其提出问题、解决问题的能力。本文以“电力电子技术”课程中功率二极管器件部分的教学内容为例，阐述了如何将启发式教学应用于相关内容授课，并详细说明了具体实施方式，希望能够借助该教学案例为该课程其他教学内容采用启发式教学提供借鉴和参考。参考文献 1 张兴，黄海宏 电力电子技术M 2 版 北京:科学出版社，2018 2 杜少武，张毅，黄海宏，等 电力电子技术课程的逆向思维教学法研究J 电气电子教学学报，2007，29(4):94 97 3 李飞，刘孟桃，张兴，等“电力电子技术”课程的启发式教学J 电气电子教学学报，2021，43(6):39 41，51 4 马铭遥，赖纪东，黄海宏，等“电力电子技术”课堂教学中融入“课程思政”的方法实践J 电气电子教学学报，2021，43(5):20 23541第 3 期管乐诗，等:功率二极管的启发式教学方法研究