基于行業發展現狀的高職《電力電子技術》課程教學改革研究

包爾恒

一、概述

電力電子技術是20世紀后半葉誕生和發展起來的一門嶄新技術，其核心是對電能進行變換及控制，是通過靜止的手段對電能進行有效的變換、控制和調節，從而把可利用的輸入電能形式變成所希望的輸出電能形式的技術，分為交流-直流變換、直流-直流變換、直流-交流變換及交流-交流變換四類電能變換類型。

在我國的學科分類中，電氣工程是一個一級學科，它包含了五個二級學科，即電力系統及其自動化、電機與電器、高電壓與絕緣技術、電力電子與電力傳動、電工理論與新技術。電力電子與電力傳動是研究生教育階段的一個專業方向，而電力電子技術課程是本科及高職高專電氣工程或電氣自動化專業的必修課程。

電力電子技術在工業生產、交通運輸、電力系統、新能源利用及家電產品等領域有著廣泛的應用，諸如變頻器、開關電源（手機和手提電腦充電器、LED照明驅動電源、電動汽車充電樁等）、不間斷電源UPS、太陽能及風能發電、有源功率因數校正、高壓直流輸電、電力有源濾波等都是電力電子技術的具體應用。在當前各個國家倡導的綠色能源、節能及環境污染治理等環節中，電力電子技術是重要的技術手段。

電力電子技術作為一個學科僅有半個世紀的歷史，但由于它對國民經濟有明顯作用，受到國內外的普遍重視，因而發展相當迅速，以致目前所用的技術，無論在功率器件、電路拓撲、控制方法和系統性能等方面均與早期有明顯差別，部分器件及電路拓撲已逐漸退出歷史舞臺。

基于行業發展現狀、趨勢及當前嚴重滯后的電力電子技術教材內容現狀，結合目前電力電子電路的工程研究分析方法，及時對現有電力電子技術教學內容及教學方法進行革新有著重要的現實意義，是一項必要和迫切的任務。

二、電力電子技術行業發展及教材現狀分析

1.電力電子器件的發展現狀

晶閘管（SCR）是一種半控型器件，其基本特點是開關容量大，技術成熟且價廉，但電路結構復雜，開關頻率不高，功率密度和整機效率仍然偏低。電力晶體管（GTR）的應用，使電力電子電路由半控型轉為全控型，并在不同程度上克服了SCR電路存在的缺點，因而在中小功率領域中出現了GTR電路取代SCR電路的局面。和功率MOSFET相比，GTR具有導通內阻低和阻斷電壓高的優點，但其輸入特性卻遠遜于前者，因為GTR是一種電流控制型器件，其開通增益僅為5～10，這對大功率器件控制電路的制作工藝和電能消耗都是沉重的負擔。此外，為降低噪聲，現代電源要求器件以超音頻工作，但在硬開關環境中，GTR的典型開關頻率僅為5kHz，這顯然無法滿足上述要求;與此相反，MOSFET是一種電壓控制型器件，控制功率極低;它同時又是一種高頻器件，完全能在超音頻硬開關環境中工作，但其輸出特性卻不如GTR。由此看來，GTR和功率MOSFET的優缺點具有明顯的互補性，因此希望研制一種新型器件，其輸入特性和開關特性與MOSFET相似;而輸出特性和開關容量則與GTR相似，這種器件就是IGBT，實際上它是一種用MOS柵控制的晶體管。由于IGBT具有GTR和功率MOSFET都無法具備的性能，在短短幾年間，IGBT就完全占據了原先GTR的應用領域并使電力電子技術進入到超音頻時代。

在高壓大功率領域，門極可關斷晶閘管GTO的成功應用，使該領域的變流電流省去復雜的陽極關斷電路（換流電路）。但GTO存在關斷不均勻，易因局部過熱而失效;此外GTO也是一種電流控制型器件，其關斷增益僅為3～5，需要復雜而昂貴的驅動電路和緩沖電路。由于這些弱點，限制了GTO的廣泛應用。當初人們曾寄希望于MOS門控晶閘管（MCT），但經歷了17年的研制和生產后不得不宣告終止，足令人扼腕。

在高壓大功率全控型器件中，集成門極換流晶閘管（IGCT）是一種將門極驅動電路與芯片集成封裝的門極換流晶閘管（GCT），其表現很引人關注。它是在GTO和IGBT的基礎上發展起來的，兼具兩者的優點，又能克服兩者的缺點。以成本為例說明，本來GTO芯片很便宜，但因外圍電路結構昂貴，使組件的總體成本明顯升高;相反，雖然IGBT外圍電路很簡單，但芯片成本太高;IGCT是以GTO芯片為基礎，但可省區關斷緩沖電路，因而器件的總成本最低。

目前GTO已失去其原先占有的4.5KV以下的國際市場，并由IGCT和IGBT取而代之。由于這兩種器件正處于發展階段，可以預計，高于4.5kv的GTO市場也將受到它們的挑戰。

目前，隨著半導體材料和生產工藝的發展，出現了高耐壓等級、高通流能力和低導通電阻的全控型器件MOSFET和IGBT，電力電子裝置中基本都是使用這兩類器件，其在很多領域已經取代了電力晶體管和晶閘管，從而使得這兩類器件在很多領域已經退出歷史舞臺;同時，反向恢復性能優越的碳化硅二極管的出現，解決了功率二極管的反向恢復問題，大大減小了反向恢復帶來的電磁干擾和二極管的功率損耗，近年得到了廣泛的使用。

2.功率電路拓撲的發展現狀

從電力電子功率電路拓撲的發展層面看，在原有電路拓撲的基礎上，近年研究較多的無橋功率因數校正技術（無橋PFC）已經成熟并實用化，大大提高了PFC電路的變換效率;另一個是軟開關技術和實用電路的研究和發展，最具代表性的就是LLC諧振變換器，其優越的軟開關性能大大提高了DC-DC變換電路的變換效率，成為目前最流行的DC-DC變換電路拓撲，LLC變換器的研究和實用化，大大提高了開關變換器的開關頻率，從而為進一步實現高效率、高功率密度（小型化）和低電磁干擾創造了條件;另一個近年研究并實用化的技術是PWM整流技術，其既能實現單位功率因數又能實現雙向功率傳遞的功能，使其得到廣泛的關注和應用。

3.電力電子技術的教材現狀

基于對目前已有電力電子技術教材的調查，主要弊端在于下述幾個方面：

（1）基本都是仍停留在講述20年以前的電力電子技術，已經或者即將淘汰的器件和電路拓撲還占有教材篇幅的很大比例，大部分教材還是以晶閘管電路為主，基本占據了教材50%以上的內容，而目前行業廣泛使用的器件和電路拓撲沒有涉及或涉及詳細程度不足，新器件新電路沒有提及。

（2）所講述的電力電子器件驅動電路和控制保護電路為理論上可行，但從成本、復雜性和可靠性方面考慮并不是行業廣泛使用的實用化電路。

（3）沒有設置關于電力電子磁性器件的章節，以致學生對從事電力電子產品研發、維護及售后服務工作時缺乏對電力電子裝置整體的認識和理解。

（4）對電力電子裝置閉環控制技術環節并未涉及或涉及甚少，同樣造成學生對電力電子裝置的整體工作原理掌握和理解困難。

（5）電力電子技術的應用實例選題不具有行業發展的代表性。

三、基于行業發展現狀的教學改革思路及建議

總體講，結合電力電子技術的發展現狀并兼顧高職高專學生的可接受性，做到“新”“實用”和“適用”三大特點。具體來講：

1.基于行業發展現狀及發展趨勢的電力電子器件及功率變換拓撲

不再涉及已經退出歷史舞臺的電力晶體管，弱化使用范圍日益縮小的晶閘管內容篇幅，突出目前最為廣泛使用的高性能IGBT和MOSFET內容，引入新型器件碳化硅二極管;在電力電子器件參數方面，強化行業實際使用過程中需重點關注的關鍵參數。

關于電力電子功率變換電路拓撲，主要包括以下幾個方面：

直流-直流變換電路增加高可靠性雙管正激電路拓撲。

逆變電路部分弱化實際較少使用的方波逆變內容，重點突出基于PWM（脈沖寬度調制）控制技術的正弦波逆變電路。

整流電路考慮目前行業實際使用現狀，在陳述基于晶閘管的相控整流基本原理的基礎上，只保留單相橋式、三相橋式全控整流和有源逆變的內容，增加電力電子技術中關于功率因數的定義，加強基于Boost電路的單相功率因數校正電路的原理分析、常見控制芯片的介紹，并重點引入和加強目前關注和應用的熱點：PWM整流技術及其基本原理分析。

關于交流-交流變換，傳統的相控式晶閘管電路正逐漸被PWM+IGBT電路所取代，改革重點是弱化相控交流調壓，取而代之以斬控式交流調壓電路及控制原理。

關于軟開關技術，去除理論上可行但實際上由于成本、實現復雜性及可靠性等因素很少使用的非實用化軟開關實現手段，主要介紹目前廣泛使用的零電壓開通和零電流關斷軟開關技術，不再以大多教材介紹的移相全橋ZVS軟開關電路為例（也可保留），重點以目前最為流行的LLC諧振變換器為例說明軟開關技術的具體應用。

2.基于低成本、高可靠性的實用化電力電子功能控制電路、新型控制芯片及控制方案

在電力電子器件驅動電路、保護電路及控制電路方面，引入行業廣泛使用的低成本實用化電路及新型控制芯片，去除理論上可行而從成本和可靠性等方面來講非實用或不可行的電路方案及已經退出歷史舞力臺的集成控制芯片。

3.結合應用廣泛性、新能源利用及節能技術的電力電子技術應用

在電力電子技術應用實例方面，從日常生活等方面來講，應用最為廣泛的是高頻開關電源，如手機充電器、電視機和電腦電源、電動汽車充電樁充電模塊等，其涉及的電力電子技術內容包括各種直流-直流變換電路拓撲及有源功率因數校正和同步整流技術等。近年來，太陽能光伏發電和風能發電等新能源利用技術發展迅速，其對應的電力電子電路拓撲主要是逆變技術，逆變技術的應用應該突出這方面的應用。對于交流-交流變換技術的應用，主要體現在工業廣泛使用的變頻器及不間斷電源UPS等，應該加強這兩種裝置的結構組成及原理介紹。

4.增加電力電子裝置閉環控制和磁性元件理論及設計內容

對于高職高專學生來講，由于自動控制原理基于扎實的數學知識，一直是高職高專學生難以掌握的痛點;對應于電力電子技術，基于自動控制原理的電力電子裝置閉環控制理論是學生理解的難點，基于工程實踐，應加強工程上廣泛使用的頻域分析法及PID參數對電力電子裝置輸出性能的影響等方面的內容。

磁性元件是電力電子功率電路常見的元件，主要是作為隔離和電壓變換的變壓器、儲能和濾波電感，只有掌握磁性元件的特性、原理及設計計算方法，才能從整體上理解、分析和設計電力電子功率電路參數。從電力電子裝置的整體性出發，應增加并將學生易理解和接受的電力電子磁性元件理論及設計章節寫進教材。

5.基于仿真和校企合作模式的實踐教學改革

電力電子電路的分析，尤其是電力電子電路參數對電路性能的影響單純從理論方面分析有一定的難度。工程分析及設計計算通常是結合仿真技術，用于分析電路寄生參數等對電路的影響;基于電力電子技術的工程實用研究和分析方法，引入結合MATLAB Simulink仿真的教學方法對電路的電量波形分析有一定的幫助并能加深學生對電路的理解。另外，有條件的學校可以加強與電力電子行業企業的校企合作，進一步完善實踐教學手段。

四、結論

在當前各個國家推崇的新能源利用及節能倡議等環境下，電力電子技術在高職高專電氣自動化專業課程中占有非常重要的地位，如何結合行業發展現狀進行教學，讓學生學習的知識緊跟行業發展現狀并學以致用有著非常重要的意義。本文在分析電力電子發展現狀和目前教材及教學存在的問題，提出了改革思路和建議，對高職高專和本科階段的電力電子技術教學有一定的借鑒和參考意義。

責任編輯 何麗華