“电力电子器件”课件仿真教学实践

谭平安， 张　希， 吴　红

(湘潭大学 信息工程学院， 湖南 湘潭 411105)



“电力电子器件”课件仿真教学实践

谭平安， 张希， 吴红

(湘潭大学 信息工程学院， 湖南 湘潭 411105)

摘要：本文从实践教学与人才培养的角度出发，借助于计算机虚拟仿真技术探讨了“电力电子器件”课程的教学方法与手段。采用虚拟仿真软件Silvaco，以半控型晶闸管和全控型功率MOSFET为代表，介绍了课堂教学中实时演示电力电子器件工作过程的实例。通过虚拟仿真教学实践，加深了学生对电力电子器件运行机理的理解。

关键词：电力电子器件；虚拟仿真；Silvaco软件

0引言

电力电子器件已广泛应用到能源、交通、航空航天、环境等重要领域，其工作特性将会直接影响到电力电子装置的可靠性与使用寿命。实际使用中，应该熟悉电力电子器件的工作机理和开关特性。然而，“电力电子器件”课程内容比较抽象，只是从外部特性方面简单介绍了器件的工作情况，但学生对课堂理论教学内容难以理解。因此，为解决电力电子器件教学中存在的困难与问题，探寻新的实践教学方法显得尤为重要。

目前文献[1]和[2]围绕着“电力电子器件”实践教学的方法和模式进行了探讨，文献[3]介绍了全控型电力电子器件教学实验平台的构建，但很少有关于电力电子器件仿真教学进行相关研究的文献报道。仿真教学在提高教学效率与节约教学资源上有着巨大优势，具有形象直观、内容丰富、动态呈现、信息容量大等特点，而学生对具体形象事物感兴趣的心理特点，非常有利于他们知识的获取、存储与建构。

电力电子器件按照能够被控制的程度分为半控型、全控型和不可控器件[4]。本文分别以半控型晶闸管和全控型功率MOSFET为代表介绍了一种虚拟仿真教学的手段与方法，该方法可在课堂上实时演示电力电子器件的物理工作过程，建立晶闸管器件外部电学特性与其物理参数变化的相互联系，加深学生对电力电子器件工作机理的理解和提高综合运用能力。

1软件介绍

来自硅谷的Silvaco软件可以用来模拟半导体器件电学性能，进行半导体工艺流程仿真，还可以与其它EDA工具组合起来使用(譬如Spice)，进行系统级电学模拟。Silvaco软件的组件包括交互式工具DeckBuild和Tonyplot，工艺仿真工具ATHENA，器件仿真工具ATLAS和器件编辑器DevEdit等。首先，可以由ATHENA或DevEdit构建器件结构，并设置好相关仿真条件与电路参数，再由ATLAS对器件特性进行仿真，最后由Tonyplot显示输出仿真结果。Silvaco软件功能非常全、易学易用，运算速度快，具有丰富的扩展功能，可有效应用于半导体器件的结构设计和工艺设计，业已成为半导体工艺和器件仿真领域的主流产品。

2晶闸管模型设计与仿真分析

2.1晶闸管模型

为了让学生在课堂上能更好地理解晶闸管器件的工作机理，根据晶闸管器件的物理结构及生产工艺，在DeckBuild环境中采用编程语言构建了晶闸管模型的命令文件，运行该文件后可使用Tonyplot命令显示晶闸管模型二维示意图，如图1所示。图1中很清晰地呈现了晶闸管器件内部的掺杂浓度、PN结、材料及物理尺寸等信息，让学生们可以很直观地了解晶闸管器件的制造工艺，熟悉PN结的形成过程。

图1　晶闸管仿真模型

在此基础上，还需对构建好的晶闸管模型进行网格化，网格中的结点数对仿真的精确度和所需时间有着直接的影响，且模型结构中形成PN结的区域应该划分更加细致的网格。

2.2仿真分析

晶闸管的开通和关断过程电压电流波形如图2所示。晶闸管的工作状态主要有正向导通、正向阻断、反向阻断、正向阻断恢复和反向阻断恢复等。教材中仅仅说明了晶闸管开通和关断过程中会存在开通延迟和关断延迟时间，而对其产生的具体原因及物理过程没有详细地介绍。因此，学生在学习过程中只是简单地了解了晶闸管器件的外部电学特性，多数学生无法理解晶闸管关断时其电流反向的具体原因和物理过程，更无法深入地学习晶闸管内部电流流向及密度分布等参数的物理意义。

图2　晶闸管的开通和关断过程波形

为此，基于已构建好的晶闸管模型，在DeckBuild环境中用编程语言搭建好晶闸管测试电路平台，并运用ATLAS工具进行器件仿真，可以得到该测试电路工作时任意瞬间所对应的晶闸管内部工作情况，如图3所示。图3给出了晶闸管在正向导通、反向恢复及反向阻断等不同状态下所对应的晶闸管内部载流子的流向及密度分布的演化过程。

图中很直观地反映了晶闸管外部电学特性与其内部物理参数变化的相互联系，通过载流子流向和电流密度分布的演化过程可以说明电流反向与阻断恢复的构理过程，有助于加深学生对晶闸管的开通和关断过程的认识和理解。

3功率MOSFET模型设计与仿真分析

功率MOSFET是单极全控型器件，其导电机理是用栅极电压来控制漏极电流。按照导电沟道可分为P沟道和N沟道。在功率MOSFET中，主要是指N沟道增强型器件。在课堂教学过程中，学生们难以理解的是功率MOSFET反向并联寄生二极管的反向导电特性及不同栅压作用下的输出特性差异。为此，图4给出了功率MOSFET的仿真模型，由图可知功率MOSFET的物理结构及惨杂浓度分布情况。在此基础上，通过仿真分析得到了功率MOSFET的反向特性(见图5)和输出特性(见图6)。

(a) 正向导通

(b) 反向阻断恢复

(c) 正向阻断恢复图3　电流流向及密度分布

图4　功率MOSFET仿真模型

由图5和图6可以看出，功率MOSFET反向导通的能力明显，而且仿真得到的输出特性与教材中的内容吻合。因此，课堂教学中，可以借助于该虚拟仿真平台来介绍功率MOSFET的基本特性和导电

图5　反向特性

图6　输出特性

机理，同时对难以理解的教学内容进行课堂虚拟仿真，使学生可以直观地观察虚拟仿真过程，加深对该内容的理解。

4结语

本文针对电力电子器件教学内容抽象，学生难以深入的理解其物理工作过程，采用Silvaco软件构建了晶闸管器件和功率MOSFET的仿真模型，并在此基础上，结合实际应用电路分析了其工作机理及动力学行为。通过虚拟仿真实践教学，加深了学生对课堂知识的理解，提高了学生的专业兴趣和创新思维，有助于培养与加强学生的工程实践能力。

参考文献:

[1]嵇保健，郝培华．“电力电子技术”课程教学方法研究[J]. 南京:电气电子教学学报，2014, 36(1):66-67.

[2]马晓军，杨宗民，刘春光，曾庆含．电力电子器件的实时仿真[J]. 南京:电力系统自动化, 2013, 37(18):108-112.

[3]吴晓刚，周美兰，李文娟．全控型电力电子器件教学实验平台的开发[J]. 南京:电气电子教学学报，2011, 33(3):73-75．

[4]王兆安，黄俊．电力电子技术(第4版)[M]. 北京:机械工业出版社，2000．

Virtual Simulation Teaching Method for Power Electronic Devices Course

TAN Ping-an, ZHANG Xi, WU Hong

(CollegeofInformationEngineering,XiangtanUniversity,Xiangtan411105,China)

Abstract:This paper discusses the practical teaching methods of the course of Power Electronic Devices, based on virtual simulation technology from the perspective of practical teaching and talent cultivation. With the Silvaco software, the physical operation process of thyristor and power MOSFET can be introduced deeply in class. Through virtual simulation for practical teaching, that will deepen understanding of classroom knowledge for students.

Keywords:power electronic devices; virtual simulations; Silvaco software

文献标识码：A

文章编号：1008-0686(2015)01-0145-03

中图分类号：TP391.9

收稿日期:2015-04-02;修回日期:2015-04- 28基金项目：湖南省普通高等学校教学改革研究项目(湘教通[2013]223号)

第一作者：谭平安(1979-)，男，博士，副教授，主要从事电力电子技术教学、无线电能传输研究工作，E-mail：tanpingan@126.com