“電力電子技術”課程啟發式教學的探索與實踐

李 飛，劉孟桃，張 興，黃海宏

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

電力電子技術是在電子、電力與控制技術基礎上發展起來的一門新興交叉學科，被國際電工委員會(IEC)命名為電力電子學，或稱為電力電子技術。自20世紀80年代以來，電力電子技術已逐步滲透到國民經濟各領域，并取得了迅速的發展。

作為電氣工程及其自動化、自動化或相關本科專業的一門重要的專業基礎課，“電力電子技術”課程講述了電力電子器件、電力電子電路及變流技術的基礎理論、基本概念和基本分析方法，為后續專業課程的學習和電力電子技術的研究與應用打下良好的基礎[1]。

對于本科生而言，“電力電子技術”課程的主要內容是介紹電力電子技術的基礎理論，同時也應反映當今電力電子技術的應用，而如何通過有限的課時讓學生理解這些內容并不是一件簡單的事情，如果想進一步讓學生掌握電力電子技術知識點背后的思路、方法、規律，進而能舉一反三，則更是難上加難之事。

對于上述“電力電子技術”教學中的難關，本文將引進啟發式教學對其進行攻克，來提高學生對知識點的理解和掌握能力。啟發式教學就是根據教學目的、內容、學生的知識水平和知識規律，運用各種教學手段，采用啟發誘導辦法傳授知識、培養能力，使學生積極主動地學習，以促進身心發展。啟發式教學不僅是教學方法，更是一種教學思想，是教學原則和教學觀。而本文針對“電力電子技術”課程的啟發式教學方法為：在教學過程融入提出問題、改進、再提出問題、再改進這樣逐步深入學習的過程。這種通過經歷問題的解決過程，能激發學生的自主學習熱情，提高學習興趣；通過對解決問題的方法的探索，可以激發學生的創造熱情，培養創新能力。在此基礎上，學生就可以結合自己學過的知識和學習過程中所掌握的關于電力電子方面的學習方法和思想做到舉一反三，進而進行自主學習，也讓電力電子教學中課時少而內容多的的問題得到改善。

1 啟發式教學與“電力電子技術”課程

古人曰：“學起于思，思源于疑。小疑則小進，大疑則大進?！笨梢姀墓砰_始人們便發現生疑、發問的重要性，學習、思維和進步都是從發問開始，因而整個教學過程如果結合提出問題進行便會有一番新的天地。所以本文針對“電力電子技術”課程特點，提出采用啟發式教學方法進行知識點的講解。雖然啟發式教學的優點甚是明顯，但我們也要著眼于它的可實施性，如何讓它順利地應用于“電力電子技術”教學中去才是重中之重。將啟發式教學方法應用到“電力電子技術”課程中應該注意以下技巧：

(1)關于引導學生提出問題方面：提出的問題切入點要貼合課程內容，并且易于學生想到；問題的提出要有梯度性、連貫性以及開放性。

(2)關于引導學生分析問題方面：要引導學生通過自主學習、探索求知或和同學們交流討論，產生不同思想碰撞。

(3)關于解決問題方面：引導學生擇最優解決問題的方法，并補充好重難點概念；做好評價總結，注意新問題的產生，以引導學生進一步的思考[2]。

“電力電子技術”課程的教材及授課安排中，多數通常是直接給出最終的結論或者解決方案，諸如電路拓撲等，然后加以分析、推演來證明結論的正確性[3]。該教學方法雖然可以完成知識點的教授，但不利于學生對于知識的擴展和應用。故本文以軟開關變換器為例，講授“電力電子技術”課程的啟發式教學方法[4]。本文所講的啟發式教學注重引導學生自主發現、思考并解決問題：首先從軟開關變換器的特定功能的實際需要出發，提出可能實現這一特定功能的解決思路，然后通過分析、比較、改進，最終推演出比較完善的軟開關變換器的拓撲結構。

2 教學案例

以軟開關變換器拓撲及其改進為例，首先介紹硬開關的概念，根據硬開關所存在的損耗問題，再引入軟開關的概念和意義，然后再根據如何實現BOOST變換器的零電壓開通，引出準諧振軟開關電路，由于此類拓撲無法實現PWM控制，故改進成開關PWM變換器，但又發現其存在損耗和開關管耐壓的問題，進一步改進為零轉換PWM變換器，此種引導學生一步一步提出問題、思考問題、改進問題的過程，即啟發式教學應用于“電力電子技術”課程中的過程，下面將仔細闡述。

以BOOST變換器為例進行分析，引入軟開關的概念，并引導學生討論如何實現其軟開關？

首先對BOOST變換器電路進行等效簡化。對變換器做如下假設后，可將BOOST變換器電路簡化成如圖1所示結構：

圖1 BOOST變換器電路簡化拓撲

(1)BOOST電路中的輸入電感和輸入電壓可以看成一個電流為Ii的恒流源；

(2)BOOST電路中輸出電容足夠大可以看成一個電壓為Uo的恒壓源。

對于上述BOOST變換器電路中存在的開關管而言，電流和電壓有交疊區，會產生損耗，對于硬開關的開通過程，怎樣消除損耗呢？

引導學生進行思考：如果使開關開通(關斷)前電壓(電流)先降為零，這樣就消除了電壓與電流的交疊區從而可以實現無損耗的軟開關過程，如圖2所示，即零電壓開通。

圖2 零電壓開通過程

而對于BOOST變換器，如何實現零電壓開通呢？通過已學內容學生可知：LC諧振電路可以使得電壓和電流相位錯開，避免重疊造成的諧振，故開關管開通時刻，引入諧振電路可以使開關管電壓反向，二極管導通，將開關管電壓鉗位于零，從而實現零電出回路，與電容C構成LC諧振回路，稱為準諧振軟開關電路，如圖3所示。

圖3 準諧振軟開關電路

對該電路工作過程進行分析后，總結并提示學生此種拓撲存在以下缺點：L，C參數決定關斷時間，無法調節。只能通過導通時間調節來改變輸出電壓，即使用PFM調制。

針對上述缺點，如何改進準諧振軟開關電路進行克服呢？即如何將PFM調制轉換成PWM調制。

引導學生進行思考：若可以控制諧振發生時刻，且使諧振只發生在開關管導通之前一小段時間，則可以實現關斷時間的調整，從而再實現PWM調制。具體實現方式如下：

引入輔助開關管VTS1：VTS1導通時，將電容C兩端電壓UC箝位在U0，電路無法諧振；VTS1關斷時，電路可以發生諧振。輔助開關的加入，控制諧振開始時刻，同時此時所設計的LC電路諧振周期很短，諧振過程時間可以忽略不計，此時電路可以實現PWM調制，如圖4，即零開關PWM變換器。

圖4 零開關PWM變換器

進一步的對該電路工作過程進行分析，總結并提示學生零開關PWM變換器存在以下不足：

(1)諧振電感串聯在主功率回路中，損耗較大；

(2)諧振電容兩端的峰值電壓依然較高，增加了對開關器件耐壓的要求。

對于如何改進零開關PWM變換器的不足？從以下兩個方面引導學生進行思考。

1)避免損耗和高耐壓

如果諧振電流不流經負載，則會降低損耗，那么我們可以將電感并聯于回路中，這樣也會使電容峰值電壓能鉗位于輸出電壓，如圖5所示。

圖5 軟開關變換器

2)實現PWM制

同樣需要使用輔助開關調節關斷時間。如果將輔助開關并聯于電感則會使電容短路，如果將輔助開關串聯于電感則可以調節關斷時間，但需要給電感提供續流回路，接入二極管，得到零轉換PWM變換器，如圖6所示。

圖6 零轉換PWM變換器

最后，可以讓學生自主回顧整個變換器軟開關變換器拓撲逐步改進的過程，加深對啟發式學習和知識點的認識。

3 結語

本文所介紹的啟發式教學就是在教學中融入提出問題、改進、再提出問題、再改進這樣逐步深入學習的過程，同時在這個過程中培養分析與解決問題的能力，使學生能做到舉一反三、觸類旁通。雖然啟發式教學有很多優點，但是執行起來還是有一定的難度，不僅需要教師們對知識點要有深刻理解，能引導學生自主思考，從提出問題到解決問題，還需要學生們的配合，在教師的引領下，主動地去發現問題，并嘗試結合自己學過的知識去解決問題、完善問題。經過實踐，啟發式教學在“電力電子技術”課程教學中取得了較佳的效果。