電力電子教學(xué)中非隔離直流變換器教學(xué)探討

摘 要:電感在電力電子電路中有著重要的作用。在非隔離直流變換器中，電感電壓、電流、磁通等在計算和分析非隔離直流變換器中電壓、電流等關(guān)系等中起著重要的作用。在實踐教學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生對它們之間的關(guān)系計算和分析難于理解和掌握。本文探討將電磁感應(yīng)定律的不同形式的表達(dá)式應(yīng)用在非隔離直流變換器教學(xué)之中。教學(xué)實踐表明它不但拓寬了學(xué)生知識面、加深學(xué)生理解，而且取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞:電磁感應(yīng)定律電感電力電子變換器

中圖分類號:TM464文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(C)-0154-02

引言

電力電子技術(shù)是一門新興的交叉學(xué)科，它是一種電力變換技術(shù)，應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件對電能進(jìn)行變換。電力電子技術(shù)已經(jīng)是高等學(xué)校工科電氣信息類電氣工程及其自動化專業(yè)、自動化專業(yè)等專業(yè)的學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[1～3]。而非隔離直流變換器在電力電子教學(xué)中占有著重要的地位，掌握非隔離直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分析方法是進(jìn)一步學(xué)習(xí)各種功率變換器重要基礎(chǔ)。

1 電磁感應(yīng)定律

加在電感L上電壓uL如圖1所示，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，我們可以得出電壓uL、電感L、磁通Φ、匝數(shù)N的關(guān)系[4]:（如圖1）

(1)

在實際應(yīng)用中，采用電磁感應(yīng)定律不同形式的表達(dá)式將會給分析和解決問題帶來不同的難易程度。因此，在實際應(yīng)用中要做到針對不同的問題采用不同形式的表達(dá)式。而在一些電力電子教材中通常采用其中一種表達(dá)式來分析非隔離直流變換器，例如采用在開關(guān)周期內(nèi)電感電流增加量等其減少量或者電感電壓伏-秒積等于零。雖然學(xué)生在中學(xué)和大學(xué)前期學(xué)習(xí)中學(xué)過電磁感應(yīng)定律，但是電力電子教學(xué)中僅通過一種方法來分析非隔離直流變換器，對大多數(shù)學(xué)生來說還是難以理解。這無疑增加了學(xué)生學(xué)習(xí)難度，不利于拓寬學(xué)生知識面和提高學(xué)生分析、解決問題的能力，不利于學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識。為了使學(xué)生容易掌握非隔離直流變換器，本文從電磁感應(yīng)定律不同形式的表達(dá)式如手，探討非隔離直流變換器計算過程。下面以Buck變換器工作在電感電流連續(xù)模式為例，進(jìn)行探討。

2 降壓直流斬波器

Buck直流變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主要工作電壓、電流波形如圖2和圖3所示。其中濾波電感L的匝數(shù)為N。（如圖2）

2.1 工作原理分析

為了簡化分析，假設(shè)Buck電路中所有器件均是理想器件，并且輸出電容C很大，輸出電壓Uo在開關(guān)過程中不變，開關(guān)周期T=ton+toff，占空比D=ton/T。其主要波形圖和等效電路圖如下所示。（如圖3圖4）

模態(tài)1:開關(guān)管VT導(dǎo)通(在ton時間內(nèi)，等效電路如圖4(a))

開關(guān)管VT導(dǎo)通加在電感L上電壓uL等于輸入電壓減去輸出電壓，即

(2)

電感電流iL在該電壓作用下從最小值ILmin線性增加，直到開關(guān)管VT關(guān)斷達(dá)到最大值ILmax。在該時間內(nèi)，電感電流增加量為:

(3)

磁通增量為:

(4)

電感電壓伏-秒積為:

(5)

模態(tài)2:開關(guān)管VT關(guān)斷(在toff時間內(nèi)，等效電路如圖4(b))

開關(guān)管VT導(dǎo)關(guān)斷，電感電流iL通過續(xù)流二極管VD。所以加電感L上電壓uL等于負(fù)的輸出電壓，即

(6)

電感電流在該電壓作用下從最大值ILmax線性下降，直到開關(guān)管VT開通達(dá)到最小值ILmin。在該時間內(nèi)，電感電流減小量為: (7)

磁通減小為:

(8)

電感電壓伏-秒積為:

(9)

(1)根據(jù)在一個開關(guān)周期內(nèi)電感電流增加量等于減少量[1～2]，由式(3)和式(7)可得:

(10)

輸入輸出電壓關(guān)系為:

(2)根據(jù)一個開關(guān)周期內(nèi)磁通平衡原理[4]，由式(6)和式(8)可得:

(11)

輸入輸出電壓關(guān)系為:

(3)根據(jù)伏-秒積平衡原理[3]，由式(5)和式(7)可得:

(12)

輸入輸出電壓關(guān)系為:

可見，根據(jù)電磁感應(yīng)定律的基本內(nèi)容，可以通過三種不同的計算方法都可以得到相同的輸入輸出電壓關(guān)系。這不但加深了學(xué)生對電磁感應(yīng)定律的理解，提高了學(xué)生解決問題的靈活性。在實際教學(xué)中將上述三種方法分別應(yīng)用在其他類型非隔離直流變換器中，取得了很好的教學(xué)效果。

3 結(jié)語

非隔離直流變換器在電力電子教學(xué)中占有著重要的地位，掌握和理解非隔離直流變換器的分析方法在學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)中有非常重要的作用。不同表達(dá)式計算非隔離直流變換器輸入輸出關(guān)系。在實際教學(xué)中將電磁感應(yīng)定律三種不同表達(dá)式應(yīng)用在非隔離直流變換器中，取得了很好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]陳堅．電力電子學(xué)[M]．北京:高等教育出版社，2002．

[2]丁道宏．電力電子技術(shù)[M]．北京:航空工業(yè)出版社，1999．

[3]周淵深．電力電子技術(shù)與Matlab仿真[M]．北京:中國電力出版社，2005．

[4]趙修科．開關(guān)電源中磁性元件[M]．遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002．