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一巧用類比和對(duì)比

加深理解在教學(xué)過程中，如果可以恰到好處地類比以前的舊知識(shí)，可以使學(xué)員既復(fù)習(xí)了舊知識(shí)，又了解了知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，更容易將新知識(shí)納入已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中。在教學(xué)中采取類比和對(duì)比的方式，可以使學(xué)員記憶深刻。電力電子器件一章涉及很多新概念，學(xué)生在理解上有困難，下面就以Powermosfet作為教學(xué)實(shí)例來闡述如何在教學(xué)實(shí)踐中運(yùn)用類比和對(duì)比的教學(xué)策略。

1用類比講解PowerMOSFET的結(jié)構(gòu)

PowerMOSFET的中文名稱是電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在電力電子中通常指N溝道絕緣柵型MOSFET。對(duì)于MOSFET學(xué)員并不陌生，在模電課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)過，但是卻很少有學(xué)員知道它的英文全稱MetalOxideSemiconductorField-EffectTransistor的真正含義，其實(shí)這與MOSFET的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。Metal代表金屬鋁電極，OxideSemiconductor代表二氧化硅絕緣層，當(dāng)柵源極間電壓UGS>0時(shí)，金屬門極G通過二氧化硅絕緣層與P型半導(dǎo)體形成電場(chǎng)，遂使得P型半導(dǎo)體的上表面反型成N型，與源極和漏極的N型半導(dǎo)體一起形成導(dǎo)電N溝道。在講解過程中通過解釋英文全稱讓學(xué)員回憶MOSFET結(jié)構(gòu)的效果很好。

2用對(duì)比講解PowerMOSFET的結(jié)構(gòu)

（1）小功率MOSFET采用橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)，耐壓和耐電流能力不夠，為了增大導(dǎo)電溝道的截面積，提升器件的耐受功率，PowerMOSFET采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，此時(shí)放上兩種結(jié)構(gòu)圖對(duì)比，區(qū)別不言而喻。

（2）PowerMOSFET采用了多元集成設(shè)計(jì)，與小功率MOSFET相比，大大縮短了溝道的長(zhǎng)度，溝道電阻小，更有利于溝道的建立，同時(shí)承受di/dt能力更強(qiáng)（此處可以類比GTO的多元集成設(shè)計(jì)）。

（3）PowerMOSFET比小功率MOSFET多了一個(gè)N-漂移區(qū)（以下簡(jiǎn)稱N-區(qū)），即低摻雜濃度N型半導(dǎo)體區(qū)，增加N-區(qū)是為了進(jìn)一步提高耐壓能力，N-區(qū)越厚耐壓能力越強(qiáng)。然而此時(shí)也必須提醒學(xué)生注意N-區(qū)的厚度并不是越大越好，因?yàn)镻owerMOSFET與二極管不同：二極管屬于雙極型器件，可以通過電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)減小通態(tài)電壓和損耗，而PowerMOSFET屬于單極性多子導(dǎo)電器件，沒有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，N-區(qū)越厚通態(tài)損耗越大，所以N-區(qū)不可以做得太厚，盡管PowerMOSFET的耐壓性大大高于小功率MOSFET，但比起GTR仍然較低，只能用于1000V以下的場(chǎng)合。通過類比和對(duì)比的教學(xué)方法，學(xué)員不僅鞏固了小功率MOSFET、SR、GTO、GTR的結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)，還加深了對(duì)PowerMOSFET結(jié)構(gòu)的理解，知道了PowerMOSFET是什么，為什么要這樣設(shè)計(jì)器件。

二對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行啟發(fā)并加以討論

在重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容的教學(xué)中，采取“吃透內(nèi)容、分化內(nèi)容、破解內(nèi)容”的三步法，啟發(fā)學(xué)員自己找尋破解問題的“點(diǎn)金術(shù)”，通過討論分析，把學(xué)習(xí)重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容變成一種享受。PowerMOSFET在開關(guān)電源、電機(jī)控制等許多電力設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為近年來發(fā)展最快的全控型器件，無論從實(shí)際意義還是理論地位出發(fā)，它的工作特性都是一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。然而稍有經(jīng)驗(yàn)的教員都知道，PowerMOSFET在開關(guān)過程中，由于器件本身的內(nèi)部構(gòu)造和相關(guān)參數(shù)（CGD、CGS、CDS）在開關(guān)過程的不同階段都會(huì)發(fā)生不同程度的變化，外部工作參數(shù)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)相互影響、互為因果，講解PowerMOSFET的動(dòng)態(tài)工作特性是相當(dāng)困難的，這是教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)問題，甚至連許多電力電子工程師也沒有十分清楚地理解整個(gè)開關(guān)過程，特別是米勒平臺(tái)的形成原因。下面筆者以米勒平臺(tái)的形成原因?yàn)榻虒W(xué)實(shí)例闡述如何引導(dǎo)學(xué)員破解難點(diǎn)。教材中對(duì)米勒平臺(tái)的形成原因只有一句話：給米勒電容反向充電時(shí)的柵極電壓維持在米勒平臺(tái)不變。學(xué)員自然會(huì)問：“什么是米勒電容？為什么給它充電會(huì)造成柵極電壓不變呢？”這應(yīng)該配合PowerMOSFET的靜態(tài)輸出特性進(jìn)行啟發(fā)和討論：開通前，MOSFET起始工作點(diǎn)位于右下角A點(diǎn)，UGS逐漸升高，ID為0，當(dāng)UGS增加到UGS（th）時(shí)，ID從0開始逐漸增大。A-B就是UGS從UGS（th）增加到UGSp的過程。當(dāng)ID達(dá)到負(fù)載的最大允許電流時(shí)，ID恒定，柵極UGS也恒定不變，此時(shí)MOSFET處于相對(duì)穩(wěn)定的飽和區(qū)，工作于放大狀態(tài)，這段工作過程就是米勒平臺(tái)。學(xué)員還會(huì)問：“驅(qū)動(dòng)電路仍然對(duì)柵極提供驅(qū)動(dòng)電流，仍然對(duì)柵極電容充電，為什么柵極的電壓不上升？”這時(shí)可以這樣解釋：開通前，UGD的電壓為UGSUDS，為負(fù)壓，進(jìn)入米勒平臺(tái)，UGD的負(fù)壓絕對(duì)值不斷下降，過0后轉(zhuǎn)為正電壓。驅(qū)動(dòng)電路的電流絕大部分流過CGD，以掃除米勒電容CGD的電荷，因此柵極的電壓基本維持不變。當(dāng)UDS降低到很低后，CGD電荷基本上被掃除，即圖2的C點(diǎn)，于是UGS在驅(qū)動(dòng)電流的充電下又開始升高，使其進(jìn)一步完全導(dǎo)通。

三結(jié)語

電力電子器件是本門課程的核心內(nèi)容，要想學(xué)員做到“能分析、會(huì)選擇、懂應(yīng)用”就必須使他們牢固掌握各類器件的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和工作特性。如何將大量瑣碎的知識(shí)點(diǎn)在有限的課堂教學(xué)中理清講透，需要教員在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中反復(fù)琢磨和摸索，找到適合自己的教學(xué)特色，綜合利用啟發(fā)、討論、對(duì)比、類比等教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)“參與式、研討式”教學(xué)，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，達(dá)到占用學(xué)時(shí)少，教學(xué)效果好的目標(biāo)。

作者：陳姝張兆東黃穎石會(huì)單位：解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院