“電力電子技術(shù)”課程斬波電路教學(xué)方法研究

薛榮輝

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710077）

0 引 言

面對不可再生能源危機(jī)，人們致力于新能源的發(fā)展，電力電子裝置是電力變換的核心部件，“電力電子技術(shù)”課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對于培養(yǎng)方案中培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)起到重要的支撐作用。課程主要研究電力電子技術(shù)在工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用。課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，掌握課程的基本理論、知識和技能，也就是將課程理論知識與培養(yǎng)學(xué)生的能力素質(zhì)結(jié)合，使學(xué)生獲得分析解決復(fù)雜問題的綜合能力和科技創(chuàng)新思維，為學(xué)生建構(gòu)基礎(chǔ)課和學(xué)科專業(yè)課、在校學(xué)習(xí)和畢業(yè)后從事工程技術(shù)工作的橋梁。OBE理念是以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，逆向確定教學(xué)計劃和教學(xué)環(huán)節(jié)，把學(xué)生作為教學(xué)的中心，教師指導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)。省級一流課程“電力電子技術(shù)”課程組老師深刻認(rèn)識到本課程是這個專業(yè)人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量將會直接決定人才培養(yǎng)的質(zhì)量。依托多年的教學(xué)經(jīng)驗課程組開展了多維度教學(xué)創(chuàng)新研究工作，積累了大量富有成效的有益經(jīng)驗。電力電子技術(shù)發(fā)展日新月異，新內(nèi)容、新概念、新思想層出不窮，在教學(xué)工作中需要把握開拓學(xué)生的思維，掌握分析問題的能力。電力電子技術(shù)課程教學(xué)引入MATLAB/Simulink仿真軟件、PSIM仿真軟件，應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合FLASH動畫演示，結(jié)合實驗臺接線調(diào)試，使“電力電子技術(shù)”這門應(yīng)用性強(qiáng)、工程性強(qiáng)的課程，通過動畫模擬演示、仿真演示、實驗臺操作、示波器觀察等方式，使學(xué)生能夠多方面多層次的建立電力電子技術(shù)課程體系。

1 課程特點(diǎn)

人們的生活離不開電，無論是家庭生活還是工業(yè)生產(chǎn)交通運(yùn)輸每時每刻都需要電能，但是電源提供電能往往不能滿足負(fù)載的要求，就需要電力電子裝置實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，微電網(wǎng)技術(shù)、新能源發(fā)電、電動車的興起，使得電力電子技術(shù)應(yīng)用更為重要，電力電子技術(shù)就是將“粗電”轉(zhuǎn)換為“精電”的技術(shù)，如果沒有電力電子技術(shù)很難想象人們的生活如何繼續(xù)，電力電子技術(shù)為人們的生活提供了基本的電能保障。電力電子技術(shù)是電氣工程及其自動化和自動化專業(yè)的專業(yè)課程，主要包括電力電子器件的制造技術(shù)和四種變流技術(shù)，課程設(shè)計概念多，電路多，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不能很好地理解分析電路。

2 教學(xué)理念

“授人以魚，不如授之以漁”，大學(xué)教育不同于高中教育，通過知識的傳授培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維法和能力，觸類旁通，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和解決問題的能力。在教學(xué)中致力打造有效教學(xué)，以學(xué)生為中心，熱愛學(xué)生，尊重學(xué)生，關(guān)注學(xué)生的進(jìn)步和發(fā)展，教師要有“對象”意識。確立學(xué)生的主體地位，樹立“一切為了學(xué)生的發(fā)展”的思想。精心設(shè)計課堂，教學(xué)不是跟著感覺走，也不是在最短的時間教最多的內(nèi)容，取決于在單位時間內(nèi)學(xué)生學(xué)習(xí)的結(jié)果與學(xué)習(xí)過程綜合考慮的結(jié)果，在備課時需要準(zhǔn)備充分，設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)-互動環(huán)節(jié)。鼓勵學(xué)生提出問題，教學(xué)相長，需要教與學(xué)結(jié)合，鼓勵學(xué)生積極思考，提出問題，不同的見解，給學(xué)生思考的時間。由當(dāng)今電力電子技術(shù)的應(yīng)用，引入課堂思政，培養(yǎng)學(xué)生愛國情懷。

3 教學(xué)設(shè)計

3.1 傳統(tǒng)教學(xué)方式

傳統(tǒng)教學(xué)是以老師為中心，學(xué)生跟著老師的步伐學(xué)習(xí)，造成學(xué)習(xí)積極性不高，對于知識點(diǎn)不能拓展，靈活應(yīng)用。本文研究以降壓斬波電路的課堂設(shè)計和教學(xué)為例，說明課程改革的做法和成效。

傳統(tǒng)教學(xué)方法是給出降壓斬波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，說明每個元器件的作用，介紹工作原理，得到降壓斬波電路的公式，但是在學(xué)生完成課后作業(yè)發(fā)現(xiàn)學(xué)生基本的知識點(diǎn)沒有掌握，知識被動的記住公式，不能靈活應(yīng)用，鑒于這種教學(xué)成果，我們做出教學(xué)改革，以目標(biāo)為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，靈活掌握知識點(diǎn)，觸類旁通。提前設(shè)置問題，督促學(xué)生提前預(yù)習(xí)。

3.2 通過學(xué)習(xí)通設(shè)置預(yù)習(xí)內(nèi)容

直流變流電路在實際電路中應(yīng)用多，電路相對于整流電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件數(shù)量少，都需要開關(guān)器件、電容、電感，在學(xué)生有一定的電學(xué)知識的基礎(chǔ)上，進(jìn)行課程改革。

以降壓斬波電路為例，首先提出問題：如果現(xiàn)有12伏的直流電源，負(fù)載需要5伏的電壓怎么解決？同學(xué)們都能想到分壓電路，再引入電源的利用率，大家就能清楚這種情況分壓元件消耗了功率，電源利用率低，引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考，引出斬波電路的概念。

3.3 介紹器件理想化的基本知識點(diǎn)

斬波電路都需要電容、電感、開關(guān)器件，本課程在分析這幾個元件時需要理想化處理，理想化指的是開關(guān)管、二極管瞬間通斷，無損耗；電容電感均無損耗理想器件；線路阻抗為0。

電容電流安秒平衡：

電感電壓伏秒平衡：

電容電感理想化，分別具有電容電流安秒平衡，電感電壓伏秒平衡，這兩個公式在所有斬波電路的公式推導(dǎo)中都會應(yīng)用。

3.4 建立降壓斬波電路模型

12 V到5 V降壓，同學(xué)們首先想到的都是串電阻，串聯(lián)的電阻會消耗功率，引導(dǎo)學(xué)生思考能不能串聯(lián)開關(guān)，通過開關(guān)動作，畫出輸出電壓波形，帶著學(xué)生建立輸出電壓平均值和電源電壓的關(guān)系，接著從負(fù)載角度來分析輸出電壓對負(fù)載的影響，引導(dǎo)學(xué)生搭建降壓斬波電路，圖1是引導(dǎo)學(xué)生搭建降壓斬波電路的過程圖，圖（a）是基本的變換原理圖，開關(guān)管接通輸出電壓等于電源電壓，開關(guān)管截止，輸出電壓等于0，輸出電壓平均值小于電源電壓，實現(xiàn)的是降壓斬波功能；圖（a）輸出電壓電流脈動大，圖（b）加入濾波電容元件，可以使輸出電壓脈動減小，但是增加了開關(guān)管的電流應(yīng)力；圖（c）在圖（b）基礎(chǔ)上增加了緩沖元件電感，就是為了限制開關(guān)管的電流應(yīng)力；圖（d）為了解決圖（c）中開關(guān)管關(guān)斷時電感電流的突變，增加了阻斷二極管。通過1圖降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立過程，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識什么是開關(guān)管的電壓電流應(yīng)力，如何限制，電路中電容、電感、二極管的作用是什么？

圖1 降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.5 分析換流狀態(tài)

電路模型建立起來，進(jìn)一步引出問題，電流連續(xù)電流斷續(xù)兩種情況，電路的狀態(tài)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步去思考，認(rèn)識工作波形，探討各個波形的工作原理，由工作波形進(jìn)一步推導(dǎo)輸出與輸入電壓電流的關(guān)系。由圖2電流連續(xù)工作狀態(tài)引導(dǎo)學(xué)生分析波形，根據(jù)緩沖元件電感的伏秒平衡，可得輸出輸入電壓之間的關(guān)系：

圖2 電感電流連續(xù)工作狀態(tài)

穩(wěn)態(tài)電壓增益：

穩(wěn)態(tài)電流增益：

通過電流連續(xù)工作狀態(tài)的分析，引導(dǎo)學(xué)生思考電流斷續(xù)情況，EO之間電壓，比較電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種情況，EO之間電壓的變化。

3.6 MATLAB/Simulink仿真

為了幫助學(xué)生更好地理解電路的構(gòu)成及工作原理，要求學(xué)生利用課外時間建立MATLAB/Simulink仿真模型，如圖3所示，運(yùn)行觀察波形，通過改變占空比，改變各參數(shù)觀察波形。通過自主建立仿真模型，通過改變占空比，觀察輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系，還可以觀察其他元件電壓電流的波形，充分理解電路中各部分元件的工作狀態(tài)，進(jìn)一步理解電路的工作過程，如圖4所示。

圖3 降壓斬波仿真模型

圖4 降壓斬波仿真波形

3.7 建立學(xué)習(xí)的閉環(huán)系統(tǒng)

通過因問題為導(dǎo)向引導(dǎo)式以學(xué)生預(yù)習(xí)，課堂教學(xué)引發(fā)學(xué)生一步步來思考來建立模型，分析電路的工作原理，推導(dǎo)輸入和輸出的電壓電流關(guān)系，課后要求學(xué)生開勇MATLAB/Simulink搭建仿真模型，鼓勵學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)資源查找相關(guān)動畫視頻，通過實驗臺接線調(diào)試，動手做小制作，理論的學(xué)習(xí)推導(dǎo)，仿真模型的建立，全方位的學(xué)習(xí)使學(xué)生能夠搞清楚每個知識點(diǎn)，通過習(xí)題檢驗學(xué)生的掌握程度，作業(yè)情況能夠反饋學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，再將作業(yè)情況反饋給學(xué)生，通過學(xué)習(xí)通、QQ，建立學(xué)生與教師的溝通通道。

通過一系列教學(xué)改革措施，學(xué)生能夠掌握基本的知識點(diǎn)，不及格人數(shù)相對往年降低，個別班級試卷平均分70分，如圖5所示，從圖中可以用這個班學(xué)生卷面成績集中在60～69分之間，中高分段的人數(shù)相對較少，最高分98分，在后續(xù)教學(xué)工程中會進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對知識點(diǎn)的靈活應(yīng)用能力。

圖5 2021—2022年某班課程卷面成績柱狀圖

4 結(jié) 論

電力電子技術(shù)直流變流電路在現(xiàn)在的電力電子裝置中應(yīng)用廣泛，以往的教學(xué)中老師為主導(dǎo)按部就班的講解電路，構(gòu)成元件，學(xué)生不能很好地理解電路的構(gòu)成，造成不能解決實際問題，本文采用以學(xué)生為中心，OBE的教學(xué)理念，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗，進(jìn)行課程教學(xué)改革。以知識傳遞和價值引領(lǐng)為目標(biāo)，建立預(yù)習(xí)—課內(nèi)學(xué)習(xí)—課后實踐三個層次。本文以降壓斬波電路的課堂設(shè)計實施為例，對課堂進(jìn)行精心設(shè)計，以學(xué)生為中心，通過豐富的課堂問題的提出，一步步引導(dǎo)學(xué)生思考，從而構(gòu)建降壓斬波電路的模型，引導(dǎo)學(xué)生自主搭建模型，自主分析電路，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，從而建立電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)體系，通過動畫仿真等多種教學(xué)手段，促進(jìn)學(xué)生直觀生動的理解電路的工作原理，通過實驗激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提升教學(xué)效果。課程的教學(xué)目標(biāo)不僅是使學(xué)生掌握電力電子技術(shù)的基本概念，分析電路，還需要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，科學(xué)的思辨能力、分析和解決實際問題的能力，還要培養(yǎng)學(xué)生科技報國的志向。