“電力電子技術”課程實驗教學改革

史敬灼， 張亞楠

(河南科技大學 電氣工程學院，河南 洛陽 471023)

0 引言

“電力電子技術”是本科電氣工程及其自動化專業的一門核心課程，其教學過程包含課堂教學、課程實驗、課程設計等主要環節。其中，課程實驗對促進課堂講授知識的深入理解、掌握知識實際應用技能具有重要作用[1～3]。但在改革前的教學過程中，該課程的實驗在實驗臺上進行，學生實驗中的動手操作主要是在實驗臺面板上接線，而電力電子器件及其驅動、控制等附屬電路都隱藏在面板之后，學生無法觸及、無法了解，更不可能掌握運用所學電力電子技術知識去設計實用電路、從而具備解決實際問題的能力。

為了更好地發揮課程實驗在課程教學中的作用，促使學生學會、會用，促進課程教學目標的達成，我院對課程實驗進行了改革。本文介紹了這一改革的具體做法。

1 實驗內容設計

1.1 教師自制實驗電路

采用教師設計的基本電力電子電路作為實驗裝置，學生實驗從了解電路原理、在電路板上手焊電子元件并一步步調試電路開始。實驗過程中，學生不僅可以親手使用器件、芯片、散熱片，而且可以了解將電力電子技術知識應用于實際的具體電路形式，直面具體的實際應用問題。

實驗內容的設計，既要達成課程實踐教學能力培養目標，又要涵蓋課程知識的主要方面。本科“電力電子技術”課程的主要教學內容為四類電力電子變換電路和PWM控制技術。考慮到實驗安全及現代電力電子技術應用的主流是采用全控型電力電子器件的PWM變換電路，選定下列三項實驗，分別對應于電壓型逆變電路、直流斬波電路、SPWM控制技術等教學內容。

(1)課程實驗一：單相電壓型逆變電路。

(2)課程實驗二：Buck斬波電路。

(3)課程實驗三：單相SPWM逆變電路。

上述三個實驗使用的電力電子器件均為Power MOSFET(下文簡寫為MOSFET)，實驗電路電源電壓為12V或+/-12V。三個實驗所用實驗電路，不使用單片機，盡量使用基本的模擬、數字集成電路芯片及分立阻容元件進行設計，以使學生通過焊接、調試等實驗過程，更全面地掌握課程理論知識的具體實現過程與細節。在課程實驗之后進行的課程設計中，選擇單片機控制的智能小車為設計對象，力求使學生掌握以單片機編程為手段的電力電子技術數字實現方法[4]。實驗電路中，小功率阻容元件采用表貼封裝，而集成電路芯片全部采用DIP封裝，以適當降低對學生手焊熟練程度的要求。同時，設計專用于練習元件焊接的練手電路板，使學生能夠漸進適應這種不同以往的實驗模式。圖1為學生在實驗中焊的電路板照片。

圖1 學生手焊的實驗電路板照片

1.2 實驗一

實驗一的內容包含單相半橋、單相全橋電壓型逆變電路兩部分，采用180°導電控制方式。實驗電路包括控制信號發生、死區發生、驅動、主電路等電路單元。實驗過程中，學生在按順序完成控制信號發生、死區發生、驅動電路單元的焊接、調試之后，先在實驗電路板上完成上、下橋臂各一只MOSFET的焊接，進行單相半橋逆變電路實驗。在實驗步驟的設計中，要求學生更換直流側兩串聯電容的容值，分別取10uF、110uF，測負載電壓波形、兩串聯電容中點電壓波形和負載電流波形，并分析其差異，考慮電容的作用和取值原則。當電容值較小時，負載電壓波形有明顯的下傾，要求實測下傾幅度是多少；電容中點電壓波形有明顯的周期性波動，要求實測波動幅度是多少。隨后，請學生思考為什么會有下傾/波動？并要求學生在電阻負載、電容取為10uF情況下，用所學知識估算電壓下降幅度，與實驗測得數據進行對比。進一步，估算電容取為110uF情況下的電壓下降幅度，并與實測數據進行對比。再進一步，對于實驗電路，若要求20歐姆電阻負載情況下，負載電壓下降(波動)幅度不大于0.1V，請問直流側分壓電容值應取為多少uF？

在完成不同負載情況下的單相半橋實驗之后，拆下直流側串聯電容，再焊上另外兩只MOSFET的焊接，進行單相全橋逆變電路實驗。在實驗中，除焊接、調試、測量分析各點波形之外，還要求學生根據實測負載電壓波形和實際的負載參數，列寫負載電路方程，推導負載電流解析表達式，估算負載電流波形形狀及具體數值，并與實測波形數據進行對比。實驗步驟中，設置了選做內容，供學有余力的學生參考。例如，實驗電路在控制信號中加入了死區。于是，實際施加于MOSFET柵極的控制信號，高電平持續電角度略小于180°，與理想的“180°導電控制方式”有了一點差異。控制信號的這點差異，會對負載電壓波形造成怎樣的影響？電阻、阻感等不同負載情況下，要求學生先思考、分析，然后實測波形驗證自己的分析。

1.3 實驗二

實驗二為Buck斬波電路，主電路中MOSFET的柵極驅動需要進行電氣隔離，采用HCPL-3140芯片實現隔離與柵極驅動。實驗步驟中，要求更換主電路電感值，分別使用100uH、330uH功率電感，考察不同電路參數情況下的主電路工作過程，分析電感電流連續、斷續情況下的電感電流、電容電流、負載電流的流向。另外，要求使用實驗一電路板，工作于全橋電路，接直流電動機負載，進行“橋式可逆斬波電路”實驗；在PWM信號頻率為10kHz的情況下，調節電位器改變占空比，使電動機正轉、反轉，觀察PWM控制信號、負載電壓、負載電流波形，記錄占空比數據和電動機轉動狀態。然后，在設定PWM信號占空比為70%的情況下，調節電位器改變PWM信號頻率，測負載電壓、電流波形，觀察并記錄電動機在較低、較高PWM信號頻率情況下的運行狀態差異，例如運行噪聲、轉速平穩性等，考慮差異緣由，給出PWM頻率的基本取值原則。

1.4 實驗三

實驗三采用調制法生成SPWM控制信號，實驗內容包含單極性、雙極性SPWM逆變兩部分。在實際的電力電子裝置中，單極性SPWM應用較少。但為了讓學生較為全面地掌握PWM技術中最基本的概念、方法，保持較為開闊的思路，還是將其納入實驗內容。實驗電路包含單相全橋電壓型逆變主電路及驅動、信號發生、單極性SPWM控制信號發生、雙極性SPWM控制信號發生等電路單元。其中，信號發生電路用來產生載波、調制波模擬信號。

實驗三的實驗內容，除不同負載情況下的單極性、雙極性SPWM逆變電路波形、數據測量與分析之外，要求學生考察調制度小于1、大于1情況下的負載電壓、負載電流波形變化。如有必要，按照實驗參考資料中的“示波器的FFT功能使用方法”，使用示波器FFT功能進行頻譜分析。然后，對照課堂所學，深入思考限制調制度不大于1的緣由、直流電壓利用率與調制度的關系。

實驗步驟中，還要求學生在實驗一考察死區影響的基礎上，對照教材所述“死區時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波”，在不同的負載情況下，觀察MOSFET的柵極控制信號、主電路上下橋臂中點、負載電壓、負載電流波形，考察死區對負載電壓波形的影響，并注意這種影響與負載性質、負載電流方向之間的關系。

1.5 負載及電流測量

電力電子技術實驗，必須連接適當的負載。對應于教材講授內容，在實驗過程中用到的負載有電阻負載、阻感負載、直流電動機負載等三類。各個實驗用到的負載如表1所示。

在使用電阻負載時，需要安裝散熱片，如圖2所示。即便如此，在實驗過程中，電阻器表面溫度也會有明顯上升，需提醒學生注意安全。

表1 實驗中用到的負載

圖2 電阻負載

電力電子技術實驗，也離不開電流測量。為此，選用巨磁阻效應芯片ACS70331，自制電流測量電路板(圖3)，將被測電流轉變為與之成比例的電壓信號，用來在實驗中用示波器觀察、測量電流波形。電流測量電路與實驗電路板及其電流變化范圍相匹配，測量帶寬為1MHz，滿足實驗所需。

圖3 電流測量電路板

2 實驗過程設計

2.1 實驗預習

課堂講授的理論知識，與實際應用之間，存在一段距離。不只“電力電子技術”課程如此，許多工科課程都是如此。雖然可以在課堂教學中更多聯系實際，但受學時的限制，仍然難以填補理論知識與實際應用之間的縫隙。為此，大幅度擴充了實驗指導書的預習部分內容，從電路框架結構講起，按照“為什么、怎么做”的思路，細致講述實驗電路設計與工作過程，以求彌補這一縫隙，一步步培養學生的知識運用能力。

在預習內容中，當所述電路可用先修課程知識來分析或推導關系式時，要求學生這樣去做，以此告知學生先修課程知識的用途及用法，引導學生在課程之間建立起聯系，引導學生意識到并主動去應用已有知識來解決自己的問題。

2.2 實驗前講授

實驗前，將實驗電路用到的芯片、器件英文說明書(datasheet)作為參考資料發給學生。在實驗指導書預習部分講述具體電路時，要求學生閱讀相關的說明書。通過閱讀芯片說明書來了解芯片性能和使用注意事項、通過查閱相關數據來指導電路設計，這都是電力電子電路設計的必需步驟，是學會用“電力電子技術”課程知識來解決實際問題的必要前提。但許多學生對這些英文資料望而卻步。其原因，一是不熟悉，二是受限于專業英語水平。為鼓勵、引導學生正確閱讀說明書，將其作為實驗前講授的一項主要內容。

為使學生習慣于閱讀這些說明書，首先分別講解典型的芯片說明書、電力電子器件說明書的篇章結構，解釋各部分數據的含義與用處，例如Absolute Maximum Ratings和Recommended Operating Conditions。然后，在講授過程中，不斷離開PPT頁面去查閱這些說明書來佐證講述內容。實驗前講授的另一項內容是元件焊接相關基礎知識，包括貼片元件焊接方法、有極性元件的極性識別等等。除此之外，還需對預習中的難點進行講解。

2.3 實驗過程中指導

“電力電子技術”課程實驗與課堂講授同步進行，實驗在全開放實驗室進行，每張實驗桌均配備計算機、所需測試儀器設備、常用工具。實驗所需芯片、電子元件擺放在元件盒內，學生自由取用。指定一周完成一個實驗，但不限定具體的實驗時間，學生自主安排課余時間進行實驗。

實驗過程中，不斷提示學生多關注細節，多討論，多思考為什么、怎么辦。不斷鼓勵學生直面可能出現的問題，指出運用所學知識解決問題的過程，不僅是在積累自己的經驗、深化知識理解，更是造就能力的一種主要途徑，并啟發、引導學生逐漸掌握定位、分析、解決問題的具體步驟和方法。從實驗一到實驗三，越來越多的學生嘗試通過自主研學來解決自己遇到的問題。

2.4 實驗報告

強調實驗報告是實驗過程中的重要一環，是思考實驗過程，凝練、提高實驗所得的關鍵步驟，并將實驗報告作為實驗考核的主要依據。為培養學生的科學研究素養，提供下列實驗報告提綱。

(1)實驗原理與實驗電路：請論述實驗內容涉及的理論知識，說明實驗所用電路的結構、工作原理等。

(2)實驗過程、結果與分析：請按照實驗指導書給出的實驗步驟，包括焊電路板，依次敘述你的實驗過程、得到的波形/數據等實驗結果，并進行處理、分析。鼓勵同學們在實驗指導書設定的實驗步驟之外，自擬實驗以驗證自己的想法，并在報告中細致寫出構思與過程與結果。

(3)實驗結論：對實驗過程、方法、分析結果等內容進行簡單的歸納、總結，亦可寫心得體會、感悟等。

有不少學生在撰寫實驗報告的過程中，返回實驗室完善實驗過程。從提交的實驗報告來看，有思考，有見解，有感悟，學生確實做了一次不同以往的實驗。

3 結語

《教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》(教高[2019]6號)要求“引導學生多讀書、深思考、善提問、勤實踐”。讀書、思考、提問、實踐四者互為依托，相輔相成。勤實踐，為深思考、善提問提供支撐，并促使學生多讀書。在地方高校中，由于各種因素的限制和較長一段時期以來的習慣逐漸養成，專業實踐教學往往被弱化，成為制約上述要求達成的最主要因素。

本文以加強實踐教學，讓學生學會、會用為直接目的，探討了“電力電子技術”課程實驗改革的具體做法。一方面，通過自行設計實驗電路板和實驗內容，撰寫填補課堂知識與實際應用之間縫隙的實驗指導書，給出引導性的實驗步驟，將課程的理論教學與實踐教學融為一體，將課堂知識與能力、素質培養有機融合，共同達成課程培養目標。另一方面，教師指導強調啟發和授人以漁，積極引導學生進行探究式、個性化學習；將實驗安排在全開放實驗室進行，限定完成時間節點，不指定具體時間；提供全套實驗儀器、工具和自由取用的芯片、電子元件，為學生提供自主研學的舞臺。

與原有實驗教學模式相比，改革后的“電力電子技術”課程實驗，實驗內容的研究性、綜合性大大加強，挑戰度顯著提高，學生為完成實驗所需投入的學習時間大大增加。而學生經過刻苦努力，最終完成實驗、收獲能力、增長素質時的喜悅與成就感，是對教師最大的鼓舞和激勵。