歸納法在“電力電子技術”教學中的應用

房緒鵬，陳志巧，張開如

(山東科技大學 信息與電氣工程學院，山東 青島 266510)

歸納法是數(shù)學、邏輯學和教育學等領域的一種重要的分析和推理方法。它指的是由許多個別事例，從中獲得一個較具概括性的規(guī)則。作為由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的一門新興科學—電力電子學中存在一些具有典型特征和規(guī)律，如對偶性和可逆性的電路和器件。如果我們科學地運用歸納法，在教學中將這些具有共性的電路和器件聯(lián)系起來，科學的組織教學，可以使學生加深理解，提高教學質量。

1 電力電子器件的對偶性

在電子器件中，功率晶體管(GTR)有NPN型和PNP型兩種類型［1-4］。這兩種器件從結構、特性、工作原理和控制方法上都具有對偶性，兩種器件的符號和在電路中應用時的控制方法和主電路接線如圖1所示。從圖中可以看出，兩種器件的控制信號不同，NPN型器件的基極電流流入基極，而PNP型器件剛好相反，基極電流流出基極;在主電路中的接線也剛好相反，NPN型器件的集電極電位應高于發(fā)射極，PNP型器件的集電極電位應低于發(fā)射極，顯示了很好的對偶性。

功率場效應管(Power MOSFET)有N溝道型和P溝道型，這兩種器件的結構、特性、工作原理和控制也具有對偶性，其電路符號和在電路中應用時的控制方法和主電路接線如圖2所示。從圖中可以看出，兩種器件的控制信號不同，N溝道型器件的柵極電位高于源極，而P溝道型器件剛好相反，柵極電位低于源極;在主電路中的接線也剛好相反，N溝道型器件的漏極電位應高于源極，而P溝道型器件的漏極電位應低于源極，顯示了很好的對偶性。

圖1 GTR的對偶圖

圖2 Power MOSFET的對偶圖

〗絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)也有N型和P型兩種類型，它們的結構、特性、工作原理和控制同樣具有對偶性。其相應的電路符號和在電路中應用時的控制方法和主電路接線如圖3所示，二者的等效電路如圖4所示。

圖3 IGBT的對偶圖

圖4 IGBT的等效電路圖

從圖中可以看出，兩種器件的控制信號不同，N型器件的柵極電位高于發(fā)射極，而P型器件剛好相反，柵極電位低于發(fā)射極;在主電路中的接線也剛好相反，N型器件的集電極電位應高于發(fā)射極，P型器件的集電極電位應低于發(fā)射極，顯示了很好的對偶性。從其二者的等效電路圖可以更清楚地看出二者的對偶性，即作為一種基于GTR和功率MOSFET兩種器件的復合型器件，N型IGBT由N溝道功率MOSFET和PNP型GTR復合而成，P型IGBT由P溝道功率MOSFET和NPN型GTR復合而成，其結構上具有良好的對偶性:N溝道功率MOSFET驅動PNP型GTR，P溝道功率MOSFET驅動NPN型GTR。

在無源電路元件中，電感和電容器具有對偶性，其物理特性和在電路中的接法都可以看作具有對偶性。如電感中的電流不能發(fā)生突變，一般串聯(lián)于電路中，可將電壓源轉換為電流源;電容器兩端的電壓不能發(fā)生突變，一般并聯(lián)在電路中，其兩端可視作電壓源。在電力電子電路中，電源為電壓源時，負載往往為感性(電流源性質);電源為電流源時，負載往往為容性(電壓源性質)。理解并熟練應用這些具有對偶性的特點，可以幫助我們理解和掌握許多電力電子電路的工作原理，如整流、逆變和直流斬波器等。

2 電力電子電路的對偶性

由電力電子器件和電路元件的對偶性，可以很自然地得到電路的對偶性。在電力電子電路中，電壓源逆變器和電流源逆變器從電路結構到工作原理和特性都具有很好的對偶性。如采用PWM控制方式的電壓源逆變器的輸出電壓和電流源逆變器的輸出電流具有相似的特點，都為矩形波，與負載性質無關［1］;電壓源逆變器的輸出電流和電流源逆變器的輸出電壓具有相似的特點，都為近似正弦波，與負載性質有關;電壓源逆變器常接電感性負載，電流源逆變器的輸出常常并聯(lián)電容器等。通過電路的對偶性，可以將電壓源逆變器和電流源逆變器對比起來講解，使學生對這兩種基本逆變器的電路結構、工作原理和工作特性有更深入的理解。

3 電力電子電路的可逆性

眾所周知，整流和逆變是兩個互為可逆的功率變換過程，相當于二者的電源和負載的位置互換，如圖5和圖6所示。在圖5中，當交流電源向直流負載供電時，晶閘管可控電路工作在整流狀態(tài);當直流負載向交流電源饋送能量時，晶閘管可控電路則工作在有源逆變狀態(tài)。在圖6中，當交流電源向直流負載供電時，全控型器件組成的橋式電路工作在整流狀態(tài)，由于一般采用PWM控制方式，所以電路工作在PWM整流狀態(tài);當直流電源向交流負載供電時，全控型器件組成的橋式電路工作在無源逆變狀態(tài)，由于一般采用PWM控制方式，所以電路工作在PWM逆變狀態(tài)。在講解可控整流和有源逆變電路，以及無源逆變電路的工作原理和工作過程時，結合上述可逆性，則能夠使學生更容易、更深刻的理解上述內(nèi)容，對功率變換的本質也可以有更進一步的認識。

圖5 晶閘管可控整流和有源逆變電路可逆性

圖6 PWM整流和PWM無源逆變電路可逆性

在直流斬波電路中，降壓型直流斬波器和升壓型直流斬波器也可以看作是一對可逆的電路，即若把電源和負載的位置互換，其中的一種電路可以變?yōu)榱硪环N電路［5］。在講述電流可逆的直流斬波電路驅動直流電動機的例子時，用直流電動機電動和再生制動兩個工作狀態(tài)時的電路工作原理和工作過程去講解，結合圖7所示的可逆性原理，學生可以很容易地理解能量流轉的過程。

4 電力電子電路的相似性

在講述直流斬波器部分內(nèi)容時，在分析Buck電路、Boost電路、極性反轉器(Buck-Boost電路)三種基本的直流斬波器電路的電路拓撲結構的基礎上，

圖7 降壓式和升壓式電路可逆性

我們可以歸納出它們的共性特點:都含有基本電路單元，即都含有全控型開關S、二極管D和電感L組成的基本電路單元。由該基本電路單元進行相應的旋轉或扭轉就可以變?yōu)榱硗獾碾娐沸问?，如圖8所示(圖中的基本電路單元用粗線表示)。把握上述電路的典型、鮮明的特點，前后聯(lián)系、相互對比的給學生講解直流斬波電路，則能使他們更容易把握這幾種電路的本質，同時深化了他們對電力電子電路拓撲的認識。

圖8 三種基本直流斬波電路的拓撲

在教學過程中，我們只要充分、合理和科學的運用歸納法和演繹法等科學的分析和推理方法，就可以發(fā)現(xiàn)授課內(nèi)容中規(guī)律和特點并加以靈活利用，使我們的教學生動活潑，富有情趣和新意，提高學生學習的興趣。

［1］ 王兆安，劉進軍.電力電子技術［M］.第五版.北京:機械工業(yè)出版社，2009

［2］ 趙良炳.《現(xiàn)代電力電子技術基礎》［M］.北京:清華大學出版社，1995年

［3］ 林忠岳.《電力電子變換技術》［M］.重慶:重慶大學出版社，1991年

［4］ 邵炳衡.《電力電子技術》［M］.北京:中國鐵道出版社，1997年

［5］ 房緒鵬，張開如.淺談電力電子技術教學［J］.青島:山東科技大學學報:社會科學版，2009.11(增刊):318-319