蔣 偉，莫岳平

(揚州大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 揚州225127)

電氣工程領(lǐng)域口徑寬，知識更新快，相對于其他學(xué)科，理論與實踐的教學(xué)要求較高。教學(xué)模式的改革可以在不大幅改動當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容與課時的前提下，改進(jìn)授課方式與考察方式，達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的目的。本文對“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)模式進(jìn)行探索，研究了如何提煉教學(xué)的技術(shù)路線與關(guān)鍵問題，以更好幫助學(xué)生緊密聯(lián)系知識點與授課內(nèi)容［1，2］。

1 “電子電子技術(shù)”課程的教學(xué)方法

以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式PBL 是一種以問題為導(dǎo)向，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的教學(xué)模式。這種模式在工科院校的實施存在一定的挑戰(zhàn):工科知識點的分散與問題的提出形成了一對矛盾;如不能準(zhǔn)確提煉問題，可能會導(dǎo)致學(xué)生對授課對象認(rèn)識不夠全面，從而背離最初的教學(xué)目標(biāo)。所以提煉PBL 模式下教學(xué)的技術(shù)路線與關(guān)鍵性問題十分必要。既需要讓學(xué)生對提出的問題一目了然，抓住重點，又必須具有全面性。

就教學(xué)方法而言，“電力電子技術(shù)”的前接課程主要以電路直觀的方式進(jìn)行教學(xué)，而進(jìn)入本課程學(xué)習(xí)時，要逐漸幫助學(xué)生建立起電路—模型—系統(tǒng)的概念。其后續(xù)課程主要注重數(shù)學(xué)描述與系統(tǒng)理論，故“電力電子技術(shù)”的教學(xué)在整個電氣工程專業(yè)的教學(xué)中處于中間環(huán)節(jié)，起著承前啟后的作用;所以采用以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式時必須充分考慮“電力電子技術(shù)”課程的這一特殊性［3，4］。

我們以圖1所示的降壓式電子變換器為例。若定義開關(guān)變量d =1 代表開關(guān)導(dǎo)通，d =0 代表開關(guān)斷開，則可以寫出用來描述系統(tǒng)動態(tài)特性與靜態(tài)特性的微分方程組:

需要注意的是，上式是一個非線性方程組，對于電路設(shè)計者而言，可以利用該微分方程組進(jìn)行系統(tǒng)的建模與動態(tài)仿真;而對于電力電子電路的初學(xué)者來說，上式不具備電路(物理)直觀性，對理解電路工作過程及計算方法幫助十分有限。

圖1 降壓式電子變換器

所以在引出后續(xù)課程的分析方法之前，教師可以適當(dāng)利用電路直觀的方法進(jìn)行電力電子電路的教學(xué)，以利于學(xué)生分析思路的銜接與轉(zhuǎn)變。

2 課程教學(xué)主線分析

基于電路的分析方法可以幫助學(xué)生更好聯(lián)系前接課程知識，消除對非線性開關(guān)電路的畏懼心理。本文采取了以基本電路定理(KCL 和KVL)為主線貫穿教學(xué)過程，以下面將介紹的四種分析方法為支撐。我們通過分析方法的映射，將電力電子電路八個關(guān)鍵問題聯(lián)系起來，如圖2所示。

圖2 電力電子電路教學(xué)模式

基爾霍夫的電壓定律KVL 和電流定律KCL 適用于任何電路的分析。前接課程的學(xué)習(xí)中，KCL 和KVL 主要用在連續(xù)電路量上，而電力電子分析的電路量多為斷續(xù)量，例如圖1中開關(guān)T 和二極管D 聯(lián)結(jié)點的電流，以及二極管、電感和電容回路的電壓皆是。所以電力電子電路的分析中，KVL 和KCL 依然是最基本的分析工具。基于兩個定律并且結(jié)合多輪的教學(xué)實踐，本文提煉了如下四種分析方法。

1)無源器件性質(zhì)

無源器件電感的伏秒平衡和電容的安秒平衡是開關(guān)電路穩(wěn)態(tài)運行的必要條件，這兩個平衡關(guān)系為穩(wěn)態(tài)計算提供便利。通常電感伏秒平衡可以用來進(jìn)行電路穩(wěn)態(tài)關(guān)系計算，而電容安秒平衡可以用于電容內(nèi)部損耗與電壓紋波的計算。

2)平均化技術(shù)

平均化技術(shù)將一個周期變化量進(jìn)行平均處理，用數(shù)學(xué)中時間加權(quán)的概念取變量的平均值進(jìn)行計算;平均化技術(shù)將時變波形直流化，可以簡化電路的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)計算。

3)小紋波假設(shè)

在一個相對電路時間常數(shù)很短的時間段內(nèi)，如果電路變量變化不大，可以假設(shè)在這一段時間內(nèi)此電路變量為恒定值;或者用線性關(guān)系來代替指數(shù)關(guān)系。小紋波假設(shè)是一種降階的處理方法，可以提高計算效率。

4)小信號分析

由于電力電子電路是非線性時變系統(tǒng)，控制系統(tǒng)設(shè)計主要關(guān)注系統(tǒng)的小信號特性;而在電力電子初級學(xué)習(xí)階段，借助小信號分析法可以定性探討系統(tǒng)的紋波特性，從而得到一些有利于系統(tǒng)計算與設(shè)計的快速結(jié)論。

3 關(guān)鍵問題研究

對本研究中教學(xué)模式的關(guān)鍵問題凝煉可以有機結(jié)合本課程常用的分析方法，有邏輯性的展開教學(xué)，幫助學(xué)生掌握電力電子電路的分析方法與手段。結(jié)合以往教學(xué)與科研實踐，本研究中提煉了如下八個關(guān)鍵問題。

1)換流問題

換流是開關(guān)電路獨有的現(xiàn)象;換流在本質(zhì)上是典型的KCL 問題;通過結(jié)合可控/不控開關(guān)的性質(zhì)與KCL 定理可以使得分析過程更加直觀，有助于學(xué)生舉一反三。

2)功率傳輸模式/濾波器模式問題

開關(guān)變換器由組合開關(guān)與濾波器組成，分析電路時不必拘泥于元件與回路，可以采用端口網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行分析。如圖3虛線所示變換器可以拆分成開關(guān)網(wǎng)絡(luò)與LC 濾波器的接連形式。這種拆分直觀地便于學(xué)生利用系統(tǒng)的視角，以模塊化的思想理解電路結(jié)構(gòu)。

圖3 變換器端口網(wǎng)絡(luò)分解

3)電感電流紋波問題

磁元件是電力電子電路中重要的組成部分。電感的尺寸、開關(guān)頻率和電感電流的紋波有直接聯(lián)系。理解電感紋波問題需要掌握無源器件的性質(zhì)、KVL方法和平均化技巧，這些促使電路的分析進(jìn)一步工程化和實際化。

4)運行模式問題

電感電流紋波的分析會直接引出變換器的電感電流連續(xù)模式CCM 與斷續(xù)模式DCM。這兩種模式導(dǎo)致電路的穩(wěn)/暫態(tài)性能有較大區(qū)別，分析這兩種運行模式需要綜合運用第2 節(jié)中的技巧。對CCM 與DCM 模式下的各項指標(biāo)的綜合對比，可以評估學(xué)生的綜合運用各種分析技巧的效果。

5)穩(wěn)態(tài)性能分析問題

電力變換器的穩(wěn)態(tài)性能主要指的是輸入輸出的電壓/電流關(guān)系、系統(tǒng)效率和功率因數(shù)等。平均化技術(shù)和無源器件性質(zhì)是求解此類問題的關(guān)鍵。

6)開關(guān)器件電壓/電流應(yīng)力問題

電力電子電路中，由于換流現(xiàn)象的存在，開關(guān)器件的電壓和電流是斷續(xù)的;要分析開關(guān)器件的電壓電流應(yīng)力，需要綜合利用KCL 和KVL 定理以及開關(guān)器件容量的選取方法。對各基本電路拓?fù)渲虚_關(guān)器件電壓/電流的計算和比較，也是一個關(guān)鍵問題。

7)電容電壓紋波與電流計算問題大多數(shù)電力電子電路以恒壓輸出為主要目標(biāo)，所以電容是電力電子變換電路通常采用的輸出元件。電容電壓的浮動和電容電荷的充放電有直接關(guān)系，通過電容輸出節(jié)點的KCL 方程，再結(jié)合小信號分析法，可以得出電容中的電流與其他支路電流的關(guān)系;對充電或放電電流積分，可以得到補充或釋放的電荷從而獲取電容電壓紋波表達(dá)式。電容電壓與電流的計算對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的評估有重要意義。

表1概括了教學(xué)模式中的八個關(guān)鍵問題與對應(yīng)的定理與分析方法，主要分析技術(shù)分布于關(guān)鍵問題之中，表明提出的關(guān)鍵問題具有普適性。

表1 技術(shù)路線與關(guān)鍵問題映射

4 結(jié)語

本文提出了應(yīng)用于“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)的技術(shù)路線、關(guān)鍵問題及其呈現(xiàn)形式;對該課程教學(xué)中的主要問題進(jìn)行了剖析，對需要考察的知識點進(jìn)行了梳理與探討。分析結(jié)果表明，主要技術(shù)路線與關(guān)鍵問題的選擇在電力電子技術(shù)教學(xué)的中起到了承前啟后的作用。教學(xué)實踐的評估表明，本文中提出的技術(shù)路線與關(guān)鍵問題對學(xué)生的初步自學(xué)與后續(xù)的深入學(xué)習(xí)提供了清晰的思路。

［1］ 王兆安，劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)(第五版)［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2009

［2］ 陳堅，康勇. 電力電子學(xué)-電力電子變換與控制技術(shù)(第三版)［M］. 北京:高等教育出版社，2010

［3］ 李久勝等. 研究型大學(xué)中“電力電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程改革［M］. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010(2)

［4］ 丘東元等. “電力電子技術(shù)”綜合性課程設(shè)計內(nèi)容探討［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012(2)