推理教學(xué)法在電力電子技術(shù)課程中的應(yīng)用研究

曹珍貫

(安徽理工大學(xué) 電氣與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

電力電子技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，從人類對(duì)宇宙和大自然的探索，到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，再到我們的衣食住行，到處都能感受到電力電子技術(shù)的存在和巨大魅力。基于電力電子技術(shù)的產(chǎn)品隨處可見，小到手機(jī)充電器，大到新能源發(fā)電、航空母艦電磁彈射器等，只要有電源的地方，或需要對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的領(lǐng)域，都離不開電力電子技術(shù)[1]。因此，電力電子技術(shù)是一門集電氣、電子及控制于一體的綜合性基礎(chǔ)課程，地位舉足輕重，已成為電氣信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程內(nèi)容圍繞AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC四大變流電路展開，詳細(xì)介紹了各變流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法等內(nèi)容，基于電力電子技術(shù)的課程背景，不難看出該課程重在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。廣大同學(xué)一致認(rèn)為，該課程知識(shí)面寬，實(shí)踐性強(qiáng)，十分利于提高學(xué)生的工程實(shí)踐創(chuàng)新能力，但課程學(xué)習(xí)存在一定的難度[2]。因此，從事電力電子技術(shù)課程的廣大教學(xué)工作者進(jìn)行了大膽的教學(xué)探索：西安科技大學(xué)張玉峰等在進(jìn)行引導(dǎo)型教學(xué)模式研究，效果顯著[3]；沈陽理工大學(xué)孫金根等將工程化教學(xué)模式應(yīng)用于電力電子技術(shù)課程實(shí)踐中，解決課程教學(xué)中重理論輕實(shí)踐問題[4]；如何讓學(xué)生能夠由淺入深、由易到難、由此及彼地進(jìn)行課程內(nèi)容學(xué)習(xí)，更好地掌握課程內(nèi)容，筆者將推理教學(xué)融入到電力電子教學(xué)過程中，經(jīng)過多年的實(shí)踐，取得了較好的成果。本文以電力電子技術(shù)課程中DC-DC為例，介紹推理式教學(xué)的實(shí)踐過程，為廣大教學(xué)工作者提供一種教學(xué)思路。

1 推理教學(xué)實(shí)施方案

在電力電子教學(xué)中經(jīng)常會(huì)遇到這樣的情景，當(dāng)學(xué)生碰到復(fù)雜的電路圖或者公式時(shí)，往往產(chǎn)生畏難情緒，缺乏主動(dòng)性思考，漸而失去學(xué)習(xí)興趣[5]。教師在授課中也為此大傷腦筋，怎么才能由淺入深，將復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)像庖丁解牛般地拆分講解，讓同學(xué)們感興趣、主動(dòng)學(xué)、入心入腦。經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)推理教學(xué)方法能夠很好地解決這一問題。推理教學(xué)法就是在教學(xué)中利用簡(jiǎn)單知識(shí)點(diǎn)或問題調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，從而激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考、積極探索，最終在教師的指引下得出結(jié)論的教學(xué)方法。這是由點(diǎn)到面的教學(xué)過程，分為提出基本原理、進(jìn)行思路分析、修改知識(shí)要素、形成新的知識(shí)點(diǎn)的過程，其實(shí)施流程如圖1 所示。由圖1可知，任何一個(gè)復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)都是基于一個(gè)基本原理，針對(duì)基本原理進(jìn)行思路分析，進(jìn)而完成針對(duì)該原理的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，通過增加或修改相應(yīng)的知識(shí)要素，從而產(chǎn)生一個(gè)新的知識(shí)點(diǎn)，以此類推，循環(huán)反復(fù)，最終形成復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)。

圖1 推理教學(xué)實(shí)施流程

2 推理教學(xué)在DC-DC中的應(yīng)用

DC-DC變流電路主要包括BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK等，其中BUCK電路是DC-DC電路中最基本的結(jié)構(gòu)，在理解BUCK電路的基礎(chǔ)上，可通過對(duì)BUCK電路的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的DC-DC電路。本節(jié)主要介紹如何利用推理教學(xué)來指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)這部分知識(shí)點(diǎn)。

2.1 BUCK變換器教學(xué)實(shí)踐

(1)BUCK變換器電路推理實(shí)現(xiàn)。原理：BUCK變換器是DC-DC變流電路中最基本的形式，其目的是降低輸出電壓的平均值，基本原理是基于斬波原理，即將穩(wěn)定的直流電壓E，利用斬波方法變成斷續(xù)的直流電壓，在電容的濾波下得到平滑的降壓輸出Uo。

推理實(shí)現(xiàn)：基于上述原理，利用開關(guān)器件對(duì)直流輸入電壓進(jìn)行通斷控制，得到如圖2(a)的電路圖。為使負(fù)載R上電壓平滑，故加上電容C進(jìn)行濾波，如圖2(b)；為使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，則再串聯(lián)電感L，如圖2(c)；為使開關(guān)斷開時(shí)，電感L能夠?yàn)樨?fù)載提供續(xù)流通道，則必須在圖中設(shè)置續(xù)流二級(jí)管VD，最終實(shí)現(xiàn)了完整的BUCK電路圖，如圖2(d)。圖中開關(guān)可采用IGBT來替代，通過控制IGBT的通斷時(shí)間，便可控制輸出直流電壓的大小。

圖2 BUCK電路推理過程示意圖

上述推理方面還原了BUCK斬波電路的實(shí)現(xiàn)過程，下面利用推理方法來計(jì)算輸出電壓的表達(dá)式。

(2)BUCK變換器輸出電壓表達(dá)式推理實(shí)現(xiàn)。知識(shí)點(diǎn)：其基本知識(shí)點(diǎn)為電感電壓的伏秒平衡特性。具體描述為：穩(wěn)態(tài)條件下，理想開關(guān)變換器中的電感電壓必然周期重復(fù)，由于每個(gè)周期中電感的儲(chǔ)能為零，并且電感電流保持恒定，因此每個(gè)開關(guān)周期中電感電壓的積分恒為零，即

(式1)

推理實(shí)現(xiàn)：BUCK變換電路中，電感L為緩沖元件，開關(guān)前電感電壓為E- Uo，開通時(shí)間為Ton，開關(guān)斷開后，電感電壓等于輸出電壓為Uo，斷開時(shí)間為Toff，根據(jù)電感的伏秒平衡特性，可得

(E-Uo)*Ton=Uo*Toff

(式2)

設(shè)a為導(dǎo)通占空比，即a=Ton/T，最終可得到輸出電壓的表達(dá)式為

UO=a*E

(式3)

因此不難看出，利用推理方法在基本知識(shí)點(diǎn)或原理的基礎(chǔ)上，能夠快速、簡(jiǎn)單地學(xué)習(xí)復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)，通俗易懂，印象深刻。

2.2 BOOST變換器教學(xué)實(shí)踐

(1)BOOST變換器電路推理實(shí)現(xiàn)。通過上節(jié)的介紹，根據(jù)斬波原理實(shí)現(xiàn)了BUCK電路的實(shí)現(xiàn)，而BOOST是升壓電路，常用的升壓方法有電容泵升、電感升壓、變壓器升壓等，從電路的復(fù)雜和帶載能力來說，常選用電感升壓方法。

知識(shí)點(diǎn)：電感電壓和流過的電流變化率有關(guān)，其公式如式4所示。當(dāng)電感的感應(yīng)電壓與電源電壓進(jìn)行順向串連時(shí)，則能夠?qū)崿F(xiàn)升壓功能。

V(t)=L*di(t)/dt

(式4)

推理實(shí)現(xiàn)：在電源側(cè)串入一個(gè)電感L，輸出電壓為輸入電壓與電感電壓之和，其電路如圖3(a)所示。電感升壓的前提必須是流過電感的電流是變化的，因此必須給電感提供充放電回路，為此在圖中引入一個(gè)開關(guān)，如圖3(b)所示。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電源給電感充電，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電源和電感串聯(lián)在一起給負(fù)載供電，電容C起穩(wěn)定負(fù)載電壓作用。在圖3(b)中，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，一方面電感L充電，另一方面電容放電會(huì)通過開關(guān)形成短路。為防止這一現(xiàn)象出現(xiàn)，必須阻止電容電流流過開關(guān)，因此在電容與開關(guān)之間加一二極VD管，阻斷電容向反方向放電，因此形成電路如圖3(c)所示。至此，一個(gè)完整的BOOST電路實(shí)現(xiàn)了。通過上述推理，同學(xué)很容易理解該電路的形成過程。

圖3 BOOST電路推理過程示意圖

(2)BOOST變換器電壓表達(dá)式推理實(shí)現(xiàn)。知識(shí)點(diǎn)：知識(shí)點(diǎn)為電感電壓的伏秒平衡特性。

推理實(shí)現(xiàn)：同理，可根據(jù)電感電壓的伏秒平衡特性來推導(dǎo)BOOST輸出電壓的表達(dá)式，電感L作為BOOST電路的緩沖元件，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電感電壓為E，時(shí)間為Ton，開關(guān)斷開后電感電壓為Uo-E，根據(jù)電感的伏秒平衡特性，可得

Uin*Ton=(Uin-Uout)*Toff

(式5)

令a=Ton/T，最終可得到輸出電壓的表達(dá)式為

(式6)

2.3 BUCK-BOOST斬波電路實(shí)現(xiàn)

(1)BUCK-BOOST變換器電路推理實(shí)現(xiàn)。知識(shí)點(diǎn)：BUCK-BOOST斬波電路既能實(shí)現(xiàn)降壓，又能實(shí)現(xiàn)升壓。根據(jù)式4可知，電感兩端的電壓和電流的變化率有關(guān)，當(dāng)流過電感電流變化率較大時(shí)，電感兩端的電壓可升至電源電壓之上，當(dāng)電流變化率較小時(shí)，電感兩端電壓較小，可低于電源電壓之下。

推理實(shí)現(xiàn)：因此根據(jù)這一原理，可直接將電感與負(fù)載并聯(lián)，由電感給負(fù)載提供能量，電源給電感提供能量，為使流過電感的電流發(fā)生變化，在電源與電感之間串入一個(gè)開關(guān)，如圖4(a)所示。在圖a中可以看出，當(dāng)電感給負(fù)載供電時(shí)，負(fù)載及電容C兩端的電壓為下正上負(fù)，當(dāng)開關(guān)閉合后，電源一方面給電感充電，一方面和電容順向串聯(lián)，造成短路。為解決這一問題，可在電源與電容之間串入一反向二極管VD，因此BUCK-BOOST最終電路如圖b所示。

圖4 BUCK-BOOST電路推理過程示意圖

(2)BUCK-BOOST變換器電壓表達(dá)式推理實(shí)現(xiàn)。知識(shí)點(diǎn)：知識(shí)點(diǎn)為電感電壓的伏秒平衡特性。

推理實(shí)現(xiàn)：BUCK-BOOST電路中，緩沖元件也為電感L，在開關(guān)處于通態(tài)時(shí)，電感電壓為E，當(dāng)開關(guān)處理斷態(tài)期間，電感電壓為-Uo，根據(jù)電感的伏秒平衡特性，可得

E*Ton=(UO-E)*Toff

(式7)

最終可得到輸出電壓的表達(dá)式為

(式8)

不難看出，當(dāng)0<α<1/2時(shí)為降壓，1/2<α<1時(shí)為升壓，故該電路叫升降壓電路。

3 教學(xué)效果

本文通過三個(gè)基本的DC-DC電路，介紹了三種電路的推理教學(xué)過程，包括電路的形成、輸出電壓表達(dá)式的計(jì)算等。可以看出，通過推理式教學(xué)，三種DC-DC電路都是基于基本的知識(shí)點(diǎn)和原理，在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行分析與推理，并不斷修改完善，得出最終電路。同時(shí)，利用電感的伏秒平衡特性，輕松地推導(dǎo)出了輸出電壓的表達(dá)式。筆者在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中，將推理應(yīng)用于電力電子技術(shù)教學(xué)中，取得了較好的教學(xué)效果，課程整體達(dá)成度逐年提升。自動(dòng)化專業(yè)18級(jí)、19級(jí)電力電子課程達(dá)成情況如表1所示。通過表1可以看出，課程的三個(gè)教學(xué)目標(biāo)中，目標(biāo)1、目標(biāo)2的達(dá)成情況為2019級(jí)遠(yuǎn)超2018級(jí)，目標(biāo)3的達(dá)成情況為2019級(jí)偏低。經(jīng)分析，主要原因在于2019級(jí)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)打分采用新的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，從實(shí)驗(yàn)報(bào)告與實(shí)驗(yàn)過程來看，總體實(shí)驗(yàn)效果較18級(jí)有質(zhì)的飛躍。

表1 課程達(dá)成情況表

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了推理教學(xué)的實(shí)施方案與流程，并以三個(gè)基本的DC-DC電路為例，演示了從基本原理到復(fù)雜知識(shí)點(diǎn)的推理教學(xué)過程，包括電路的實(shí)現(xiàn)、輸入輸出的推導(dǎo)，使同學(xué)們能夠由點(diǎn)到面、由淺入深、復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化地輕松學(xué)習(xí)。筆者將推理教學(xué)法應(yīng)用于電力電子技術(shù)課程教學(xué)中去，實(shí)踐表明，課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度有質(zhì)的飛躍，取得了較好的效果。