“電力電子技術”課程研究型教學模式探索

楊喜軍，常中科，侯孝涵，喬樹通

(上海交通大學 電氣工程系，上海200240)

0 引言

在知識經濟時代，世界各國的綜合國力競爭日益激烈，國力競爭的核心是人才競爭。十六大報告明確指出：“創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力。”高校畢業生要有創新精神、創新意識以及自主實踐能力，理工科高校畢業生還要求有科技創新能力，為此理工科教師應該掌握多種教育科學研究方法[1～2]。電氣工程專業大學生的培養目標和畢業要求的12項內容中就包括：遵循價值引領、知識探究、能力建設、人格養成“四位一體”的育人理念，堅持“起點高、基礎厚、要求嚴、重實踐、求創新”的辦學傳統。研究型教學應該體現在教與學的一切活動中，所有活動應該起到潤物無聲的效果。

“電力電子技術”課程為大三第一學期主課，旨在普及電力電子技術基礎知識[3～4]。這門課與其它多門主課相互交叉，表現出非常強的技術性，與很多前沿技術或工業技術相互關聯，而且該課程中的許多知識模塊存在深度挖掘和深度學習的空間，其中就包括相控與斬控相似性問題、波形合成原理、整流電路本質、耦合型DC-DC變換器相互聯系等方面。

研究型教學模式需要注重課程教學與科學研究相結合，采用多種實用的教學方法，提供和講解具有前沿性、創造性、探索性的教學內容[5～8]。本文深入挖掘整流電路工作原理，以電壓輸出型整流電路安全上電為契機，將“電力電子技術”教學和大學生進入實驗室計劃結合起來，探索如何切實有效地開展研究型 教學模式，促進學生建立科學思維和樹立良好科學精神，以實例形式給出本次研究型教學模式的成果。

1 整流電路的教學要點

1.1 基本知識

“電力電子技術”課程中的整流電路，即AC-DC電路，主要包括：

(1)采用相控原理帶有直流平波電感的單相、三相晶閘管整流電路(即相控整流電路)，后接直流電動機電樞或電流源型逆變器等負載。后級負載不運行時，相控整流電路無法工作。由于電感限流作用和控制角可調，因而不存在安全上電問題；

(2)采用不控原理帶有直流電解電容的單相、三相二極管整流電路(即不控整流電路)，后接直流DC-DC變換器或電壓源型逆變器等負載。后級負載運行與否，不控整流電路都能工作。由于電容電壓對電流的微分作用，在電解電容冷態上電時，交直流線路中會出現突波電流，因而存在安全上電問題。

在講述上述兩種整流電路區別時，不能簡單地將二極管理解為控制角為零的晶閘管，因為二極管導通角只出現在網壓瞬時值高于輸出電壓瞬時值時，且與容值大小、功率等級、網壓、網頻等因素相關。

為了定性分析網側電流峰值、導通角位置與導通寬度的變化規律，借助Matlab/Simulink仿真軟件進行輔助分析。

首先，在同樣條件下，將負載電阻由很低值到很高值變化，觀察單相全橋整流電路網側電壓、網側電流和輸出電容電壓波形，并通過Simulink中的FFT功能分析其有效值和平均值的變化規律，要求學生自主研究其變化規律；

其次，在同樣條件下，將電解電容取值由很低值到很高值變化，觀察單相全橋整流電路網側電壓、網側電流和輸出電容電壓波形，并通過Simulink中的FFT功能分析其有效值和平均值的變化規律，要求學生掌握其變化規律。

完成這些工作后，學生對不控整流電路的變換過程具有了初步了解。

1.2 擴展知識之一

安全上電問題存在于所有隱含二極管自然整流電路的AC-DC變換器中，包括：①單相半波、全波、全橋整流電路；②三相全波、全橋整流電路；③工頻、中頻、高頻整流電路；④電壓源型PWM整流電路；⑤不隔離升壓型DC-DC變換電路；⑥無源整流電路和有源整流電路。

功率因數概念覆蓋整個學期的教學工作，因此有必要借助不控整流電路先行進行講解，有關結論可以推廣到相控整流電路。整流電路網側功率因數偏低，與容值大小、功率等級、網壓、網頻等因素都有關系。

假定網壓為正弦波形，可以給出兩種基本功率因數表達形式：

學生應該掌握各種功率的形成：只有同頻率的電壓與電流之間才能形成P和Q，不同同頻率的電壓與電流之間才能形成D，而且P、Q、D和S是指平均功率，以后還要學習p和q的瞬時功率概念，要求學生能夠推導兩種功率因數表達式之間的等價性。

要求學生利用仿真軟件對不同工況條件下的不控整流電路的網側功率因數進行分析，并驗證兩種表達形式所得結果的一致性。該部分內容為后面學習單相有源功率因數校正器(APFC)的工作原理打下基礎，功率因數校正的目標就是消除Q和D。

1.3 擴展知識之二

A. 硬上電危害分析

硬上電是指在沒有任何限流措施情況下交流電壓源直接施加到不控整流電路的輸入端，其優點是電路簡單和上電速度快，但是只適合小功率負載和小容值情況。當負載較重時，所需容值相應較大，此時硬上電危害明顯加劇，表現為：上電產生突波電流引起網壓驟降進而影響附近用電設備供電質量，引起熔斷器燒熔和空氣開關跳閘，并引起線路損耗和電解電容ESR損耗過大，更為嚴重的是，由于電解電容電壓上升較快，即dv/dt過高，引起后級電力電子電路(如電壓源逆變電路)中功率開關動態電壓擊穿，形成較低的功率因數和較強的EMI干擾，等等。其物理原因是電容電壓與電容電流符合以下關系式：

(1)

(2)

式中，C為電解電容取值，即容值；uC為電容電壓；iC為一電容電流；u0為冷態電容電壓，一般情況下，u0=0。

由于線路缺乏限流器件，在忽略二極管壓降時，網壓全部施加在電解電容上。鑒于上電時刻具有隨機性，且線路時間常數τ=0，對于單相交流不控整流電路而言，在網壓峰值處上電，會引起最大的突波電流峰值，危害最為嚴重。

B. 軟上電措施分析

采取合適的軟上電措施才能確保安全上電。軟上電的實質是限制或控制上電電流大小或波形，限制電解電容電壓的上升率，為此需要采取合適的限流元件且串聯在充電路徑的合適位置。 限流元件主要包括功率電阻、電感、次級串電容或電阻的變壓器、電感與電容串聯支路等，可以演化出多種電路。功率電阻還包括正、負溫度系數熱敏電阻PTC和NTC。

上電過程中限流元件進行限流，上電結束時要求限流元件被短接，使得整流電路進入正常工作模式，也可以演化出多種短接電路。

鑒于整流電路軟上電方面已有的研究成果較多，為了便于學生入門，需要做出篩選，為此選擇易于理解的電阻軟上電方法(即電阻限流法)。

電阻限流法的要點是：在直流正極、電解電容兩端或交流火線上使用阻性元件，在上電期間與電解電容構成串聯支路，充電完成后采用機械開關(一般為繼電器)或功率開關(IGBT、功率MOSFET或單向晶閘管)短接或旁路該阻性元件。當采用機械開關時，正常運行時，沒有額外功耗，但是機械震動會引起觸頭脫離。

2 整流電路的探索問題

2.1 提出問題

引導學生考慮一個新問題，即采用電阻限流時，單相、三相不控整流電路的電阻總功耗如何，有無最小情況。

為了有效地推進研究型教學模式，教師在課堂上除了多次反復分層次地講解整流電路知識，成立10名學生和兩名碩士研究生構成的研究興趣組，以發現專利技術和申請專利的形式，促進學生進行研究型學習。

由于整流電路存在嚴重的非線性，使得上電過程中上電電阻總損耗的計算非常困難，也尚未出現電阻總損耗最小的電阻限流方案。經過細致的仿真分析，發現在電解電容充電充滿過程中，對于不同的技術方案，上電電阻總損耗不同，因此可以充分利用該發現，設計新型低耗上電方案。

具體情況如下：

(1)直流電源供電時，上電電阻總損耗相對電解電容總儲能(即 )的比例為100%；

(2)三相全橋不控整流電路中，單只上電電阻置于直流正極，上電電阻總損耗相對電解電容儲能的比例大約為92.62%；

(3)三相全橋不控整流電路中，三只上電電阻分別置于三相交流線路，上電電阻總損耗相對電解電容儲能的比例大約為89.4%；

(4)三相全橋不控整流電路中，兩只上電電阻分別置于任意兩相交流線路，上電電阻總損耗相對電解電容儲能的比例大約為85.1%；

(5)單相全橋不控整流電路中，不論上電電阻處于交流側，還是直流側，上電電阻總損耗相對電解電容儲能的比例最低，電容取值較小時大約為79.47%(在網壓峰值時上電)和78.26%(在網壓過零時上電)，電容取值較大時，該比例大約為79.1%，與上電初始時間基本沒有關系。

綜合以上，有必要對三相不控整流電路采取單相電源供電且在網壓過零時上電的措施。

2.2 解決問題

研究興趣組共計提出了5項具有實用新型水平的專利技術，設計出5種不同的三相不控整流電路，分別如圖1、圖2、圖3、圖4與圖5所示。

圖1 三相整流電路軟上電方案1

圖1所示電路的原理是：上電合閘后，只有線電壓uac進行單相整流。上電結束后，兩只繼電器動作，短接a相限流電阻并接通b相。

圖2 三相整流電路軟上電方案2

圖2所示電路的原理是：上電合閘后，c相處于斷相，只有線電壓uab進行單相整流。上電結束后，觸發三只晶閘管導通，短接限流電阻，并接通c相。

圖3 三相整流電路軟上電方案3

圖3所示電路的原理是：上電合閘后，通過單相整流橋(包括D7～D10)和限流電阻上電，只有線電壓uab進行單相整流。上電結束后，驅動繼電器動作，短接直流負極線路，單相整流橋(包括D7～D10)和限流電阻保持不變。

圖4所示電路的原理是：上電合閘后，通過第一單相整流橋(包括D1～D4)和第二單相整流橋(包括D5～D8)和限流電阻進行上電，只有線電壓uab進行單相整流。上電結束后，驅動兩只繼電器動作，短接限流電阻和接通第三單相整流橋(包括D9～D12)的正極。

圖4 三相整流電路軟上電方案4

圖5 三相整流電路軟上電方案5

圖5所示電路的原理是：上電合閘后，控制電路檢測線電壓uab，并通過比較電路和光電耦合器檢測到線電壓uab過零信息，在過零時驅動晶閘管TH1導通，開始軟上電過程。當軟上電結束時，控制電路發出驅動信號驅動繼電器動作，短接上電電阻和晶閘管構成的支路。這是一種最節能的上電方案。

3 整流電路的深度挖掘

為進一步增強學習效果和促進學生深度思考，從而對電力電子技術產生濃厚興趣，對不控整流電路安全上電問題進行深入研究。打破原有只采用一種功率開關構成整流電路和阻性元件限流方案，棄用上電電阻，尋找更加節能的軟上電方案。

3.1 電感限流法

電感限流法的工作原理是：單相整流電路高端(或低端)的功率開關采用單向晶閘管、低端(或高端)采用普通功率二極管，構成混合整流電路。交流側采用低值電感，或利用EMI濾波器中差模電感，或利用功率因數校正器中的電感，交流電源上電時，單向晶閘管控制角按照一定的規律由接近180°逐漸減少至90°，充電電流斷續，但電流峰值受控。上電結束后控制角設置為0°，單向晶閘管代替二極管使用，雖然需要兩組單向晶閘管驅動電路，但是單向晶閘管導通壓降一般低于二極管導通壓降，運行中功耗較低。一種方案如圖6所示，圖中單相二極管整流橋高端采用單向晶閘管，低值電感置于交流火線上。如果將低值電感置于整流電路的直流正極，可得圖7和圖8所示的其它方案。

圖6 交流側電感限流的單相混合整流電路

圖7 直流側電感限流的單相混合整流電路

圖8 直流側電感限流的單相二極管整流電路

以圖6為例，上電時可使得單向晶閘管控制角以較低斜率線性或非線性下降至略低于90°，此時充電過程基本結束，隨后可以將單向晶閘管控制角設置為0°。控制角變化過程大致可以劃分為四個階段，如圖9所示，圖中，k表示第k個開關周期，控制角αk<αk-1，βk<βk-1且αk<βk。

圖9 上電過程中網側電流和電解電容電壓變化波形

對于三相混合整流電路，當380V交流電壓供電、電解電容取值為4x330 F、濾波電感為1mH時，上電過程中網側電流和電容電壓變化波形如圖10所示，可見電容電壓緩慢上升至網壓峰值，網側電流呈現窄脈沖形狀且幅值控制在10A以內。

圖10 上電過程中網側電流和電解電容電壓波形

限流電感總功耗遠低于電阻限流法時電阻總耗能，鑒于同樣電壓和電流等級的單向晶閘管壓降低于二極管壓降大約0.2V，因此在上電結束以后正常運行期間，除了單向晶閘管需要的驅動功率以及繼電器工作時少量損耗，可以認為電感限流軟上電是一種節能型軟上電。三相混合整流電路的電感限流法如圖11和圖12所示。

圖11 直流側電感限流的三相混合整流電路

圖12 直流側電感限流的三相二極管整流電路

圖11所示電路的原理是：按照單相整流電路軟上電基本方法，調節單向晶閘管TH1和TH2的控制角，采用線電壓 進行上電，上電完成時，設置三只單向晶閘管控制角均為零。

圖12所示電路的原理是：按照單相整流電路軟上電基本方法，調節雙向晶閘管TB1的控制角，采用線電壓uab進行上電。上電完成時，設置雙向晶閘管TB1和TB2控制角均為零。

3.2 感容限流法

感容限流法的工作原理是：低值電容與低值電感串聯在二極管不控整流電路中，低值電容用于限制電解電容充電電壓，低值電感用于限制充電電流尖峰，并巧妙地借助低值電容與低值電感之間的諧振作用，不斷地為電解電容充電，直至充電結束。此時低值電容與低值電感振蕩減弱至零，可以采用繼電器短接低值電容與低值電感串聯支路，或只短接低值電容，保留低值電感可以起到濾波作用，單相APFC中的升壓電感可以起到低值電感作用。感容限流法的整流電路包括圖13～圖17，這些電路具有一定的新穎性、創造性和實用性。

圖13 電感置于直流側感容串聯單相整流電路

圖14 電感置于交流側感容串聯單相整流電路

圖15 電感置于直流側感容串聯三相整流電路

圖16 單電感置于交流側感容串聯三相整流電路

圖17 三電感置于交流側感容串聯三相整流電路

4 學生實踐與教學效果

4.1 學生實踐過程

鑒于處于大三第一學期，學生們剛剛接觸到專業課，尚處于打基礎階段，需要他們按照教學進度和教師要求一步一步地進行研究型學習，除了認真學習課堂內容和書本知識外，還要完成額外任務，教師以學生的學習為中心精心安排課堂作業、課后作業和仿真作業，這些作業適用于班上全部學生。

為了保證效果，在研究興趣組中，隨機指定兩名學生組成一個小組，以尋找與課本相關的實用新型專利技術為最終目標，需要在完全掌握書本知識基礎上，根據制定的目標以及教師的提示和講解，認真分析和互相討論，采用Matlab/Simulink進行嘗試和驗證，最后學生們提出了很多好的想法和建議，部分得到理論分析和仿真分析驗證，成為候選專利技術。

學生實踐過程大體分為兩個階段：

(1)前半學期，充分利用假期多、時間充足的機會，學生們提煉、書寫、修改和提交專利文件。在尋找專利技術期間，學生們要多次聽取教師關于知識產權的知識講解，掌握專利技術文件的書寫規范與要領，明白知識產權體現了一個國家的科技水平，知識產權也是科研成果的一種表現形式；

(2)后半學期，各種驗證性實驗相繼展開，考慮到時間比較緊張的情況，學生們主要采取仿真分析和實驗驗證相結合的研究型學習方法，收到了良好的教學效果。

4.2 教學效果分析

經過本次研究型教學實踐，學生們至少在兩個方面取得了明顯進步：

(1)在教學方面，學生們學習興趣得到明顯促進，個別學生勁頭十足。學生們增加了對知識點的理解深度，增強了對問題的敏感度，思路得到了發散，加深了對本課程性質的理解。在期末試卷中，針對性地增加了多個發現問題、分析問題和解決問題的題目，包括異常條件下電力電子變換器如何實現安全運行問題、光伏水泵設計問題等等，有一定的難度和深度，正確率能夠達到86%；

(2)在科研方面，學生們明白了科學技術的含義和開展科研項目的流程。研究興趣組以解決不控整流電路安全上電損耗最小問題展開研究型學習，兩名學生負責同一個題目，獨立完成實用新型專利樣稿書寫。在2019年11月23日共計受理5項實用新型專利，包括一種三相整流橋中單電阻軟上電電路、一種網壓過零軟上電電路、一種單相整流軟上電的三相整流上電電路、一種三相整流上電電路、一種三相整流電路網側單電阻軟上電電路，申請號分別為CN201922039441.3、CN201922062185.X、CN201922039425.4、CN201922045746.5、CN201922039446.6，其中前兩項申請已經獲得授權通知。另有2項發明專利也在申請當中，名稱分別為一種并網逆變器及其死區相移補償方法、一種變頻調速逆變器及其死區引起相移補償方法。本次科研型教學也有力地促進了學校號召的“本科生提前進入實驗室”計劃，在課程結課后，已經有兩名學生加入到該計劃中，一名學生從事基于E類放大器的磁場耦合型無線輸電的研究，另一學生從事開關電感型單相AC-DC變換器的研究，均取得了明顯進步，已經提交專利代理人一項發明專利和在起草論文一篇。

5 結語

本文描述了“電力電子技術”課程中采用研究型教學模式的經驗、收獲和體會，這種研究型教學模式寓教于研，寓研于教，循序漸進，目標明確，提升了學生的學習效果和培養了學生的科研精神，總體上效果令人滿意，收益面較大，有力地促進了教學相長，為大學生提前進入實驗室計劃的執行打下基礎。幾點建議如下：①以教學內容為依托，師生一起有效地投入，逐漸設計好技術路線，循序漸進地展開科研型教學，在科研中學會科研；②科研任務可以自擬，可以來自前沿課題的某一方面，可以來自突發靈感，不應該過于泛泛，不應該難度過大，不要過于抽象；③成立研究興趣組，組長應具備一定科研基礎和具有認真負責態度，只有這樣才能有效地推進和完成任務，碩士研究生作為助教和組長可以縮短師生之間的距離；④學生需要熟練掌握一種仿真分析工具，如Matlab/Simulink(包括Electronics庫)、PSIM與PLECS等，否則學生會理解不深和淺嘗輒止。