“電力電子技術”課程斬波電路教學方法研究

薛榮輝

（西安航空學院 電子工程學院，陜西 西安 710077）

0 引 言

面對不可再生能源危機，人們致力于新能源的發(fā)展，電力電子裝置是電力變換的核心部件，“電力電子技術”課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎課程，對于培養(yǎng)方案中培養(yǎng)目標的實現(xiàn)起到重要的支撐作用。課程主要研究電力電子技術在工程技術領域中應用。課程的教學目標是使學生通過課程學習，掌握課程的基本理論、知識和技能，也就是將課程理論知識與培養(yǎng)學生的能力素質結合，使學生獲得分析解決復雜問題的綜合能力和科技創(chuàng)新思維，為學生建構基礎課和學科專業(yè)課、在校學習和畢業(yè)后從事工程技術工作的橋梁。OBE理念是以學生的學習成果為導向，逆向確定教學計劃和教學環(huán)節(jié)，把學生作為教學的中心，教師指導學生實現(xiàn)預期的學習目標。省級一流課程“電力電子技術”課程組老師深刻認識到本課程是這個專業(yè)人才培養(yǎng)的核心要素，課程質量將會直接決定人才培養(yǎng)的質量。依托多年的教學經驗課程組開展了多維度教學創(chuàng)新研究工作，積累了大量富有成效的有益經驗。電力電子技術發(fā)展日新月異，新內容、新概念、新思想層出不窮，在教學工作中需要把握開拓學生的思維，掌握分析問題的能力。電力電子技術課程教學引入MATLAB/Simulink仿真軟件、PSIM仿真軟件，應用計算機仿真技術結合FLASH動畫演示，結合實驗臺接線調試，使“電力電子技術”這門應用性強、工程性強的課程，通過動畫模擬演示、仿真演示、實驗臺操作、示波器觀察等方式，使學生能夠多方面多層次的建立電力電子技術課程體系。

1 課程特點

人們的生活離不開電，無論是家庭生活還是工業(yè)生產交通運輸每時每刻都需要電能，但是電源提供電能往往不能滿足負載的要求，就需要電力電子裝置實現(xiàn)電能的轉換，微電網技術、新能源發(fā)電、電動車的興起，使得電力電子技術應用更為重要，電力電子技術就是將“粗電”轉換為“精電”的技術，如果沒有電力電子技術很難想象人們的生活如何繼續(xù)，電力電子技術為人們的生活提供了基本的電能保障。電力電子技術是電氣工程及其自動化和自動化專業(yè)的專業(yè)課程，主要包括電力電子器件的制造技術和四種變流技術，課程設計概念多，電路多，學生在學習過程中不能很好地理解分析電路。

2 教學理念

“授人以魚，不如授之以漁”，大學教育不同于高中教育，通過知識的傳授培養(yǎng)學生科學的思維法和能力，觸類旁通，提高學生的學習能力和解決問題的能力。在教學中致力打造有效教學，以學生為中心，熱愛學生，尊重學生，關注學生的進步和發(fā)展，教師要有“對象”意識。確立學生的主體地位，樹立“一切為了學生的發(fā)展”的思想。精心設計課堂，教學不是跟著感覺走，也不是在最短的時間教最多的內容，取決于在單位時間內學生學習的結果與學習過程綜合考慮的結果，在備課時需要準備充分，設計教學環(huán)節(jié)-互動環(huán)節(jié)。鼓勵學生提出問題，教學相長，需要教與學結合，鼓勵學生積極思考，提出問題，不同的見解，給學生思考的時間。由當今電力電子技術的應用，引入課堂思政，培養(yǎng)學生愛國情懷。

3 教學設計

3.1 傳統(tǒng)教學方式

傳統(tǒng)教學是以老師為中心，學生跟著老師的步伐學習，造成學習積極性不高，對于知識點不能拓展，靈活應用。本文研究以降壓斬波電路的課堂設計和教學為例，說明課程改革的做法和成效。

傳統(tǒng)教學方法是給出降壓斬波電路的拓撲結構，說明每個元器件的作用，介紹工作原理，得到降壓斬波電路的公式，但是在學生完成課后作業(yè)發(fā)現(xiàn)學生基本的知識點沒有掌握，知識被動的記住公式，不能靈活應用，鑒于這種教學成果，我們做出教學改革，以目標為導向，以學生為中心，調動學生學習的積極性和主動性，靈活掌握知識點，觸類旁通。提前設置問題，督促學生提前預習。

3.2 通過學習通設置預習內容

直流變流電路在實際電路中應用多，電路相對于整流電路結構簡單，元器件數(shù)量少，都需要開關器件、電容、電感，在學生有一定的電學知識的基礎上，進行課程改革。

以降壓斬波電路為例，首先提出問題：如果現(xiàn)有12伏的直流電源，負載需要5伏的電壓怎么解決？同學們都能想到分壓電路，再引入電源的利用率，大家就能清楚這種情況分壓元件消耗了功率，電源利用率低，引發(fā)學生進一步思考，引出斬波電路的概念。

3.3 介紹器件理想化的基本知識點

斬波電路都需要電容、電感、開關器件，本課程在分析這幾個元件時需要理想化處理，理想化指的是開關管、二極管瞬間通斷，無損耗；電容電感均無損耗理想器件；線路阻抗為0。

電容電流安秒平衡：

電感電壓伏秒平衡：

電容電感理想化，分別具有電容電流安秒平衡，電感電壓伏秒平衡，這兩個公式在所有斬波電路的公式推導中都會應用。

3.4 建立降壓斬波電路模型

12 V到5 V降壓，同學們首先想到的都是串電阻，串聯(lián)的電阻會消耗功率，引導學生思考能不能串聯(lián)開關，通過開關動作，畫出輸出電壓波形，帶著學生建立輸出電壓平均值和電源電壓的關系，接著從負載角度來分析輸出電壓對負載的影響，引導學生搭建降壓斬波電路，圖1是引導學生搭建降壓斬波電路的過程圖，圖（a）是基本的變換原理圖，開關管接通輸出電壓等于電源電壓，開關管截止，輸出電壓等于0，輸出電壓平均值小于電源電壓，實現(xiàn)的是降壓斬波功能；圖（a）輸出電壓電流脈動大，圖（b）加入濾波電容元件，可以使輸出電壓脈動減小，但是增加了開關管的電流應力；圖（c）在圖（b）基礎上增加了緩沖元件電感，就是為了限制開關管的電流應力；圖（d）為了解決圖（c）中開關管關斷時電感電流的突變，增加了阻斷二極管。通過1圖降壓斬波電路拓撲結構的建立過程，引導學生認識什么是開關管的電壓電流應力，如何限制，電路中電容、電感、二極管的作用是什么？

圖1 降壓斬波電路拓撲結構

3.5 分析換流狀態(tài)

電路模型建立起來，進一步引出問題，電流連續(xù)電流斷續(xù)兩種情況，電路的狀態(tài)，激發(fā)學生進一步去思考，認識工作波形，探討各個波形的工作原理，由工作波形進一步推導輸出與輸入電壓電流的關系。由圖2電流連續(xù)工作狀態(tài)引導學生分析波形，根據(jù)緩沖元件電感的伏秒平衡，可得輸出輸入電壓之間的關系：

圖2 電感電流連續(xù)工作狀態(tài)

穩(wěn)態(tài)電壓增益：

穩(wěn)態(tài)電流增益：

通過電流連續(xù)工作狀態(tài)的分析，引導學生思考電流斷續(xù)情況，EO之間電壓，比較電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種情況，EO之間電壓的變化。

3.6 MATLAB/Simulink仿真

為了幫助學生更好地理解電路的構成及工作原理，要求學生利用課外時間建立MATLAB/Simulink仿真模型，如圖3所示，運行觀察波形，通過改變占空比，改變各參數(shù)觀察波形。通過自主建立仿真模型，通過改變占空比，觀察輸出電壓與輸入電壓之間的關系，還可以觀察其他元件電壓電流的波形，充分理解電路中各部分元件的工作狀態(tài)，進一步理解電路的工作過程，如圖4所示。

圖3 降壓斬波仿真模型

圖4 降壓斬波仿真波形

3.7 建立學習的閉環(huán)系統(tǒng)

通過因問題為導向引導式以學生預習，課堂教學引發(fā)學生一步步來思考來建立模型，分析電路的工作原理，推導輸入和輸出的電壓電流關系，課后要求學生開勇MATLAB/Simulink搭建仿真模型，鼓勵學生利用互聯(lián)網資源查找相關動畫視頻，通過實驗臺接線調試，動手做小制作，理論的學習推導，仿真模型的建立，全方位的學習使學生能夠搞清楚每個知識點，通過習題檢驗學生的掌握程度，作業(yè)情況能夠反饋學生對知識點的掌握情況，再將作業(yè)情況反饋給學生，通過學習通、QQ，建立學生與教師的溝通通道。

通過一系列教學改革措施，學生能夠掌握基本的知識點，不及格人數(shù)相對往年降低，個別班級試卷平均分70分，如圖5所示，從圖中可以用這個班學生卷面成績集中在60～69分之間，中高分段的人數(shù)相對較少，最高分98分，在后續(xù)教學工程中會進一步加強學生對知識點的靈活應用能力。

圖5 2021—2022年某班課程卷面成績柱狀圖

4 結 論

電力電子技術直流變流電路在現(xiàn)在的電力電子裝置中應用廣泛，以往的教學中老師為主導按部就班的講解電路，構成元件，學生不能很好地理解電路的構成，造成不能解決實際問題，本文采用以學生為中心，OBE的教學理念，結合多年的教學經驗，進行課程教學改革。以知識傳遞和價值引領為目標，建立預習—課內學習—課后實踐三個層次。本文以降壓斬波電路的課堂設計實施為例，對課堂進行精心設計，以學生為中心，通過豐富的課堂問題的提出，一步步引導學生思考，從而構建降壓斬波電路的模型，引導學生自主搭建模型，自主分析電路，從而提高學生的學習主動性，從而建立電力電子技術課程的學習體系，通過動畫仿真等多種教學手段，促進學生直觀生動的理解電路的工作原理，通過實驗激發(fā)學生學習的興趣，提升教學效果。課程的教學目標不僅是使學生掌握電力電子技術的基本概念，分析電路，還需要培養(yǎng)學生的學習興趣，科學的思辨能力、分析和解決實際問題的能力，還要培養(yǎng)學生科技報國的志向。