開關電源技術教學改革實踐與思考——以培養卓越電源工程師為目標

于雁南，高柏臣，嚴繼池

(1.黑龍江科技大學 電信學院，黑龍江 哈爾濱150010;2.哈爾濱紐泰克科技開發有限公司，黑龍江 哈爾濱150010)

開關電源技術是本科院校電氣工程專業的一個重要方向，開關電源技術課程是電氣工程專業主干核心課程，這門課綜合運用了前期所學的模擬電子技術、自動控制原理、電力電子技術、電磁場及仿真技術等課程知識，進行開關電源電路和系統設計的課程，是電氣專業一門重要的專業實踐課。這門課的實踐性非常強，同時也是一門可以綜合提高學生實踐動手能力的課程，但是現在開關電源方面的課程在本科教學中還處于初期階段。目前，電氣專業的學生在畢業之后的去向有一部分是去專門研發電源的國內外著名企業，還有一部分是從事和電源相關的工作。學生往往只知道課堂上所學習的電源基本拓撲和基本概念、公式，而對于實際制作電源知之甚少，更談不上在一進入工作崗位就能夠研發。我們以培養優秀電源工程師為目標，從電源工程師素質與課程匹配、校企合作、考核形式多樣化、對學生電源技術思維和創新能力的培養、豐富的教改內容等幾個方面闡述項目組對開關電源技術教學改革的探索和實施。

1 課程教學內容與電源工程師基本技能的匹配

結合項目組在企業的實踐經驗以及教研團隊在多家電源企業的調研，現將開關電源技術課程的內容和電源工程師應該掌握的能力拆分成以下幾塊，如圖1 所示。

就目前電源工程師，尤其是研究DC/DC 開關電源的工程師來說，電路設計應該熟練掌握最基本的幾種電路拓撲的工作原理、開關管的驅動電路設計、開關電源目前常用的多種PWM 和PFC 控制芯片的控制方式、變壓器和電感的設計、各種保護電路的多種設計、閉環電路的調試方法，下面將結合教改的思路和實踐進行分析和探討。

1.1 基本拓撲

基本的拓撲包括BUCK、BOOST、BUCK － BOOST、CUK、正激變換器、反激、半橋、全橋、推挽變換器。在課堂教學中應該使學生熟練掌握其工作原理、應用場所、電流連續和電流斷續的工作波形、拓撲中的關鍵參數的計算，為學生設計基本的開關電源電路打下堅實的基礎，這是第一層次，如圖1 中所示，要求學生必須熟練掌握。尤其要著重講解基本拓撲BUCK 變換器，因為很多拓撲結構甚至是基本拓撲都可以由BUCK 變換器變換得來。如果能在課堂上重點講解BUCK 變換器，使學生完全掌握BUCK 變換器的原理和波形，對學生后期的開關電源學習將會大有助益。

第二層次是以基本拓撲為核心部分的主功率電路各部分參數計算，相當于電源工程師的項目計算書部分，這也是電源工程師必須掌握的基本技能。由于課上時間有限，教師在課上會把拓撲中關鍵器件主要參數的計算方法給出，不可能把所有的參數計算一遍，所以導致有些學生就停滯在這個層次上，沒有在課下把所有的參數，尤其是關系到器件選型的參數進行設計，為了解決這個問題，在課程中后期安排學生團隊制作實物開關電源，在這個過程中就必須要對每個計算參數都要反復核算，這個教學環節取得了較好的效果。

圖1 課程教改內容和電源工程師掌握技能之間的關系圖

第三層次是主功率電路器件選型和調試，基本上只有參加過實物制作、電子設計大賽、實習項目的學生有機會達到這一步，通過實際存在的問題，就問題去解決，才會在實踐當中結合他們上課學習的電源理論切實地體會調試電路的樂趣。

1.2 PWM 和PFC 控制芯片

這部分會通過調研報告的形式讓學生先去搜集相關PWM 和PFC 控制芯片的最新信息，先讓學生去感知、去了解現在出來最新的控制芯片已經可以做到哪些功能了，此外重要的是積累總結每一個拓撲可以有哪些控制芯片來控制。讓他們自己去發現問題，感知問題，帶著問題和好奇，在課堂上授課教師會深入講解PWM 控制芯片的基本控制原理，通過工程項目詳細講解如何快速掌握一個新的控制芯片每個引腳的功能，外圍電路的設計方法、元器件參數計算方法，使學生掌握如何用控制芯片來控制變換器實現電能的變換，學會設計控制芯片與變換器的連接電路，即檢測電路和功率管的驅動電路。在課堂上教會學生使用PWM 控制芯片數據說明書設計控制外圍電路達到層次一，在課程學時中專門安排學生學習控制芯片外圍電路的設計方法和參數計算方法達到層次二，不僅讓學生掌握一種控制芯片的外圍電路設計方法，更重要的是舉一反三，在以后的設計和工作崗位上面對新的平臺和控制芯片依然可以設計出符合要求的電路。

1.3 變壓器和電感設計

授課教師在課堂教學中依據教學改革培養電源工程師為目標不僅要介紹變壓器和電感的各個參數的計算方法，還會結合實際項目講授變壓器同名端和異名端在實際電源制作時的注意事項，變壓器的制作方法，掌握電壓器參數的測試方法和測試工具，掌握用示波器和信號發生器測試變壓器的匝比和同名端的方法。變壓器和電感的設計直接關系到隔離型變換器的性能，很多學生對變壓器和電感磁路設計部分學習起來會有些困難，所以這部分將作為課程的難點來重點講解。

1.4 保護電路設計

課堂教學中一部分學時將用來著重講解各種保護電路，包括輸入輸出過壓保護、過溫保護、過流保護、輸入欠壓保護等。將采用調研報告、啟發式和討論式等教學方法引導學生去積累這些保護電路，學會在不同平臺、不同應用場合使用不同的保護電路。

1.5 閉環電路調試

結合自動控制原理課程的相關知識，著重講解開關電源閉環電路的設計和分析，尤其是PID 調節器的調試方法，結合實際項目演示電源工程師閉環電路調試過程，激發學生學習開關電源的學習興趣，通過實物和仿真軟件讓學生體驗調試的樂趣，這部分是開關電源課程重點講解的內容，要聯系實際項目，是課程的核心內容。

以上5 個部分是課程的主要教學內容塊，完全按照培養電源工程師的目標下制定的教學計劃，可以做到較好地給學生從課堂到就業的過渡，而不再是到了工作崗位上感覺課堂學習的東西和實際工作聯系不緊密，什么知識什么技能都要工作之后學習。在課堂上，保證學生完全掌握第一個層次，通過課后作業、課堂實際項目案例、電源制作等形式的教學方法使大部分學生掌握層次二，在平時的教學中注意動手能力強或者電路設計能力強的學生，通過帶學生電子設計大賽、創新大賽，或者學生在項目中輔助教師擔任研發助理的工作等，使一部分學生研發能力可以快速提高，培養成具有基本技能的初級電源工程師［1］。

2 課程考核方式改革

考慮到開關電源課程的實踐性強的特點，著重考核學生掌握所學的基本電路拓撲理論和技能，能綜合運用所學知識和技能去分析電路、調試和測試電路、分析電路故障及排除電路故障的能力。

2.1 制作電源實物

基于課堂系統的理論學習，獨立制作75W 單管正激變換器實物的能力考核，該正激變換器采用何種磁復位技術不限，根據班級人數，3 ～4 名同學為一個小組，明確不同分工，共同制作出一款正激變換器。同時培養學生的團隊合作意識，考核的內容也要增加當該團隊遇到分歧和困難的時候，是如何解決的。

2.2 課堂表現

主要是包括回答問題的情況，對問題分析的程度，出勤率，在平時小組討論時的表現和活躍程度。

2.3 科研報告、口頭匯報

通過讓學生搜索近3年國內外開關電源、尤其是通信電源技術和產品的最新發展概況，增強學生的自我學習能力，在以后的學習和工作中掌握更新自己開關電源知識體系的能力，這是我們教學的重點，不只是教會學生電源的基本知識，還要教學學生學習探索開關電源領域的學習方法。選取部分優秀學生的科研報告由學生濃縮成5 分鐘的口頭匯報結合PPT、實物動畫等多媒體展示方法在上課前5 分鐘做口頭匯報分享給學生們。不僅較好地激發學生學習開關電源的興趣也能夠充分鍛煉學生的公開演講能力。

2.4 作業

作業著重在學生是否是自己獨立完成的電路設計，而不是應付了事。哪怕學生的設計內容很少，但是只要是他們自己經過思考得來的就要比其參考其他人的作業效果要好很多。

考核成績組成部分如表1 所示。

表1 考核成績組成

3 開關電源技術教學改革反思

結合課堂教學改革，讓學生們一邊理論學習一邊同步到學校實訓基地鞏固學習效果進行電源制作和電路故障排除以及電源設計，注重對學生電源技術思維和創新能力的培養，加強校企合作，為學生營造良好的學習氛圍，同時，每年通過大學生科研立項和大學生電子設計大賽、創新大賽充分鍛煉學生在課堂上的學習效果，教研團隊教師會專門跟蹤和調研學生的理論與實踐結合的效果，從而不斷總結經驗，更好地服務教學。通過學生全程參與大賽和項目的經歷，充分挖掘學生的設計潛力和創新思維能力，讓學生充分享受到學習的樂趣，形成良性循環，并且可以拓展到其他科目，提高學生的綜合素質［2］。

［1］梁奇峰，廖鴻飛.基于工作任務的開關電源原理與分析教學改革［J］.職業教育研究，2012(6):88 －90.

［2］常云龍，李榮德，袁曉光，等.強化工程實踐能力與創新能力的培養［J］.高等工程教育研究，2011(4):107－110.