電力電子課程設計實踐平臺的構建

孫 佳，齊文娟，黃梓昂

(上海交通大學 電氣信息與電氣工程學院,上海 200240)

電力電子課程設計實踐平臺的構建

孫 佳，齊文娟，黃梓昂

(上海交通大學 電氣信息與電氣工程學院,上海 200240)

隨著科技的日益發展與進步，電類專業大學生的電子設計水平與實踐動手能力亟待加強。電力電子課程設計是一門以實踐為主的設計性課程。首先介紹了該課程的教學目標、教學方法、課程內容等信息，然后詳細講述了該課程實踐平臺的設計思路，最后以反激電源為例給出了該實踐平臺的教學成果，并展示了優秀學生作品。實踐證明，通過該課程的學習，學生能夠清晰地了解電子設計的思路與流程，掌握電源設計及調試的一般方法，大大提高電子電路設計水平和動手能力，為今后進一步學習和工作打下基礎。

電力電子; 課程設計; 反激電源； 實踐平臺

0 引 言

近年來，在教學改革與就業需求的大環境變化下，實踐性課程的建設已逐步成為本科生教學的一個重要組成部分[1]。我校電氣工程實驗中心經過一系列的探索和實踐，逐步完善了以實踐為主的課程設計教學體系，使學生在本科生階段就能夠獲得自主設計的機會，將理論與實踐更好的結合[2-4]。

電力電子課程設計是高校電氣相關專業的一門重要課程，它集技術性、工程性和實踐性于一體，通過項目方案制定、硬件原理圖設計[3]、PCB制版、系統調試等步驟，學習電子電路的設計及制作方法。實驗中心開設的電力電子課程設計以電力電子專業最典型的電源設計為基礎，要求學生完成一套完整的電源設計作品[5-7]。本文通過介紹該課程平臺的構建，對其組織形式和教學成果進行總結。

1 電力電子課程體系

1.1課程性質和教學目標

此課程是電氣工程及自動化專業的重要課程，目的是使學生了解和掌握電力電子電路的設計原理和設計方法，初步學習電路板的設計、制作以及調試的基本方法，加強學生自學能力、實踐動手能力以及團隊合作能力的培養。

1.2教學方法

課程以學生自行設計為主，結合教師及助教輔導答疑。課堂教學主要講解電源設計基本原理，提高學生對電源設計的興趣、初步了解設計方法。著重培養學生自主學習的意識、自主學習的能力和實踐動手的能力[8]。

1.3課程內容

以反激電源為例，講解電源的基本結構及其變換技術的原理和設計方法，使學生清晰地了解電力電子電路設計的基本步驟，學會反激電源設計及調試的方法。具體課程內容為:①了解反激電源的結構及各主要部件工作原理。②根據反激電源的工作原理繪制硬件原理圖，生成.sch文件。③使用電路仿真軟件Multisim針對設計好的原理圖進行仿真。④據仿真結果修改并完善原理圖，使用Altium Designer軟件繪制PCB圖，生成.pcb文件。⑤將生成的.pcb文件制成印刷電路板，焊接元器件。⑥調試硬件，記錄數據及波形，完成設計報告。

2 電力電子課程設計實踐平臺構建

2.1實現目標

設計一套反激電源電路板，輸入為DC 40～100 V，輸出為4路DC，分別為+15、+15、-15和+12 V，傳輸功率50 W。

2.2實現方法

(1) 反激電源的定義及特點。開關電源可分為隔離與非隔離兩種形式。隔離電源按照結構形式不同，可分為兩大類：正激式和反激式。正激式指在變壓器原邊導通同時副邊感應出對應電壓輸出到負載，能量通過變壓器直接傳遞。半橋、橋式電路都屬于正激電路。反激式指在變壓器原邊導通時副邊截止，變壓器儲能。原邊截止時，副邊導通，能量釋放到負載的工作狀態。

正激和反激電路各有其特點，在設計電路的過程中為達到最優性價比，可以靈活運用。一般在小功率場合可選用反激式。稍微大一些可采用單管正激電路，中等功率可采用雙管正激電路或半橋電路，低電壓時采用推挽電路，與半橋工作狀態相同。大功率輸出，一般采用橋式電路，低壓也可采用推挽電路。

反激式電源因其結構簡單，省掉了一個和變壓器體積大小差不多的電感，而在中小功率電源中得到廣泛的應用。一般情況下，反激式電源功率只能做到幾十W，輸出功率超過100 W就沒有優勢，實現起來有難度。只有極少數公司的芯片可以將反激式電源做到300 W左右。

(2) 反激電源工作原理。反激電源工作電路如圖1所示。當功率管Q導通時，電源電壓Uin加在變壓器原邊繞組兩端，此時副邊感應電動勢下正上負，二極管D1截止，輸出電壓Uout由濾波穩壓電容提供；當功率管Q關斷時，原邊繞組開路，此時副邊的感應電動勢反向，導通二極管D1，儲存在變壓器中的磁場能一邊給電容C1、C2充電，一邊給負載供電。故反激電源中的變壓器有兩個作用：儲能和傳遞能量。

圖1 反激電源工作原理圖

當反激電源電路工作于連續傳導模式時，分析其輸入輸出關系：設功率管Q工作時的PWM波占空比為Duty，Q導通時，Uin給變壓器充電；Q關斷時，變壓器給電容充電，因此可以得到關系式：

式中K12=N1/N2，N1和N2分別為變壓器原邊繞組和副邊繞組的匝數[9-14]。

(3) 原理圖設計。圖2所示為主電路輸入部分原理圖，輸入電壓加在BAT+和BAT-之間，經變壓器原邊和功率管Q1(K3564)。Q1的導通和關斷由芯片UC2845控制，UC2845通過反饋引腳采集一路+15 V輸出分壓而來的電壓來與參考的+2.5 V做比較，從而控制PWM波的輸出，進而控制Q1的導通情況，使輸出的+15 V能夠接近理想值。Q1的驅動電路也由UC2845整合。

圖2 輸入部分原理圖

UC2845芯片開始工作時需要一個開啟電壓，此時的開啟電壓由BAT+經一個高阻功率電阻來提供；當芯片開始工作后，需要的工作電壓大于開啟電壓，此時的工作電壓由逐漸穩定的+15 V輸出電壓反饋回來提供。

與Q1并聯的緩沖電路可以起到吸收電壓尖峰的作用。

圖3為主電路輸出部分原理圖。主電路共有4路直流輸出，分別為2路+15 V、1路-15 V和1路+12 V。

(4) 電路仿真。原理圖設計完畢后，使用電路仿真軟件Multisim進行仿真，以驗證電路的合理性。搭建的仿真電路如圖4所示。仿真電路基本按照原理圖來搭建。借助Multisim強大的仿真功能，可以得到比較理想的仿真結果[15-16]。

圖3 輸出部分原理圖

圖4 仿真電路

仿真結果如圖5，輸出為其中一路+15 V，從波形可以看到，輸出在8 ms內從0 V開始慢慢上升至+15 V并趨于穩定，符合預期。該路+15 V輸出會作為反饋信號，反饋到控制芯片的對應引腳上，以調整各路輸出。也就是說，這路輸出的準確性間接影響了其他路輸出的準確性。

圖5 仿真結果

(5) PCB設計。PCB設計使用Altium Designer來完成，雙層布線。

反激電源的PCB如圖6所示。輸入接口和輸出接口都設置在PCB板下方，有利于與外部電路進行連接，方便調試等。

圖6 反激電源PCB設計

接口排針的上部為4路輸出電路，排列有序，方便調試時引出輸出端。

PCB板上半部分為控制電路，下半部分為主電路，變壓器置于中間偏左，功率管和散熱片置于中間偏右。整體的功能結構分塊井然有序。

2.3結果調試

電路焊接完成后進行調試，輸入DC+48 V，測試4路輸出，可得如圖7～10所示4個輸出波形。

圖7 +15V D輸出

圖8 -15V T輸出

圖9 +15V P輸出

圖10 +12V D1輸出

從該4圖的波形看，輸出基本為穩定的直流。圖7～9 3路輸出的電壓峰峰值較小，而圖10輸出的電壓峰峰值稍大，說明在這一路PCB的設計上還有改善的余地。

從學生設計的角度上看，各項測試參數都在允許的誤差范圍內，基本實現了預期目標。

由學生采用團隊合作形式(每組2或3人)自行設計并焊接調試的反激電源作品如圖11所示。

圖11 反激電源學生設計作品

3 結 語

電力電子課程設計實踐平臺緊跟現代電力電子技術的發展趨勢，考慮學生知識層次與理解能力，結合實驗室實際情況，講解反激電源的基本原理和主要電路結構，讓學生獨立完成反激電源電路原理圖的設計、電路仿真、PCB圖的繪制以及硬件電路的調試，大大鍛煉了學生的文獻閱讀、團隊合作、動手實踐等能力。

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ConstructionofPowerElectronicsCourseDesignExperimentalPlatform

SUNJia,QIWenjuan,HUANGZiang

(School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

With the development of science and technology, thee lectrical major students’ ability of electronic design and practices is highly expected to be consolidated.Electrical/electronic design is such a curriculum based on practices.This article firstly introduces some information such as curriculum goals, methodologies and contents.Then it demonstrates the design idea of the platform.Lastly taking “flyback power supply” as an instance, it concludes the result of the course and also lays out the designs from excellent students.From this course, students can get a clear comprehension on the idea and general process of electronic design, and master the methods of power supply design, which can improve their ability of power electronic circuit design.It would be significant for their further research and future jobs.

power electrics; course design; flyback power supply; practical platform

TP 216

A

1006-7167(2017)10-0244-04

2016-10-08

孫 佳(1983-)，女，黑龍江哈爾濱人，工程師，電氣工程實驗教學中心副主任，主要研究方向: 電力電子與電力傳動。Tel.:021-54742868; E-mail:sjia@sjtu.edu.cn