于雁南，高柏臣，嚴(yán)繼池

(1.黑龍江科技大學(xué) 電信學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150010;2.哈爾濱紐泰克科技開發(fā)有限公司，黑龍江 哈爾濱150010)

開關(guān)電源技術(shù)是本科院校電氣工程專業(yè)的一個重要方向，開關(guān)電源技術(shù)課程是電氣工程專業(yè)主干核心課程，這門課綜合運用了前期所學(xué)的模擬電子技術(shù)、自動控制原理、電力電子技術(shù)、電磁場及仿真技術(shù)等課程知識，進(jìn)行開關(guān)電源電路和系統(tǒng)設(shè)計的課程，是電氣專業(yè)一門重要的專業(yè)實踐課。這門課的實踐性非常強，同時也是一門可以綜合提高學(xué)生實踐動手能力的課程，但是現(xiàn)在開關(guān)電源方面的課程在本科教學(xué)中還處于初期階段。目前，電氣專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)之后的去向有一部分是去專門研發(fā)電源的國內(nèi)外著名企業(yè)，還有一部分是從事和電源相關(guān)的工作。學(xué)生往往只知道課堂上所學(xué)習(xí)的電源基本拓?fù)浜突靖拍?、公式，而對于實際制作電源知之甚少，更談不上在一進(jìn)入工作崗位就能夠研發(fā)。我們以培養(yǎng)優(yōu)秀電源工程師為目標(biāo)，從電源工程師素質(zhì)與課程匹配、校企合作、考核形式多樣化、對學(xué)生電源技術(shù)思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、豐富的教改內(nèi)容等幾個方面闡述項目組對開關(guān)電源技術(shù)教學(xué)改革的探索和實施。

1 課程教學(xué)內(nèi)容與電源工程師基本技能的匹配

結(jié)合項目組在企業(yè)的實踐經(jīng)驗以及教研團(tuán)隊在多家電源企業(yè)的調(diào)研，現(xiàn)將開關(guān)電源技術(shù)課程的內(nèi)容和電源工程師應(yīng)該掌握的能力拆分成以下幾塊，如圖1 所示。

就目前電源工程師，尤其是研究DC/DC 開關(guān)電源的工程師來說，電路設(shè)計應(yīng)該熟練掌握最基本的幾種電路拓?fù)涞墓ぷ髟?、開關(guān)管的驅(qū)動電路設(shè)計、開關(guān)電源目前常用的多種PWM 和PFC 控制芯片的控制方式、變壓器和電感的設(shè)計、各種保護(hù)電路的多種設(shè)計、閉環(huán)電路的調(diào)試方法，下面將結(jié)合教改的思路和實踐進(jìn)行分析和探討。

1.1 基本拓?fù)?/h3>

基本的拓?fù)浒˙UCK、BOOST、BUCK － BOOST、CUK、正激變換器、反激、半橋、全橋、推挽變換器。在課堂教學(xué)中應(yīng)該使學(xué)生熟練掌握其工作原理、應(yīng)用場所、電流連續(xù)和電流斷續(xù)的工作波形、拓?fù)渲械年P(guān)鍵參數(shù)的計算，為學(xué)生設(shè)計基本的開關(guān)電源電路打下堅實的基礎(chǔ)，這是第一層次，如圖1 中所示，要求學(xué)生必須熟練掌握。尤其要著重講解基本拓?fù)銪UCK 變換器，因為很多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)甚至是基本拓?fù)涠伎梢杂葿UCK 變換器變換得來。如果能在課堂上重點講解BUCK 變換器，使學(xué)生完全掌握BUCK 變換器的原理和波形，對學(xué)生后期的開關(guān)電源學(xué)習(xí)將會大有助益。

第二層次是以基本拓?fù)錇楹诵牟糠值闹鞴β孰娐犯鞑糠謪?shù)計算，相當(dāng)于電源工程師的項目計算書部分，這也是電源工程師必須掌握的基本技能。由于課上時間有限，教師在課上會把拓?fù)渲嘘P(guān)鍵器件主要參數(shù)的計算方法給出，不可能把所有的參數(shù)計算一遍，所以導(dǎo)致有些學(xué)生就停滯在這個層次上，沒有在課下把所有的參數(shù)，尤其是關(guān)系到器件選型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，為了解決這個問題，在課程中后期安排學(xué)生團(tuán)隊制作實物開關(guān)電源，在這個過程中就必須要對每個計算參數(shù)都要反復(fù)核算，這個教學(xué)環(huán)節(jié)取得了較好的效果。

圖1 課程教改內(nèi)容和電源工程師掌握技能之間的關(guān)系圖

第三層次是主功率電路器件選型和調(diào)試，基本上只有參加過實物制作、電子設(shè)計大賽、實習(xí)項目的學(xué)生有機(jī)會達(dá)到這一步，通過實際存在的問題，就問題去解決，才會在實踐當(dāng)中結(jié)合他們上課學(xué)習(xí)的電源理論切實地體會調(diào)試電路的樂趣。

1.2 PWM 和PFC 控制芯片

這部分會通過調(diào)研報告的形式讓學(xué)生先去搜集相關(guān)PWM 和PFC 控制芯片的最新信息，先讓學(xué)生去感知、去了解現(xiàn)在出來最新的控制芯片已經(jīng)可以做到哪些功能了，此外重要的是積累總結(jié)每一個拓?fù)淇梢杂心男┛刂菩酒瑏砜刂?。讓他們自己去發(fā)現(xiàn)問題，感知問題，帶著問題和好奇，在課堂上授課教師會深入講解PWM 控制芯片的基本控制原理，通過工程項目詳細(xì)講解如何快速掌握一個新的控制芯片每個引腳的功能，外圍電路的設(shè)計方法、元器件參數(shù)計算方法，使學(xué)生掌握如何用控制芯片來控制變換器實現(xiàn)電能的變換，學(xué)會設(shè)計控制芯片與變換器的連接電路，即檢測電路和功率管的驅(qū)動電路。在課堂上教會學(xué)生使用PWM 控制芯片數(shù)據(jù)說明書設(shè)計控制外圍電路達(dá)到層次一，在課程學(xué)時中專門安排學(xué)生學(xué)習(xí)控制芯片外圍電路的設(shè)計方法和參數(shù)計算方法達(dá)到層次二，不僅讓學(xué)生掌握一種控制芯片的外圍電路設(shè)計方法，更重要的是舉一反三，在以后的設(shè)計和工作崗位上面對新的平臺和控制芯片依然可以設(shè)計出符合要求的電路。

1.3 變壓器和電感設(shè)計

授課教師在課堂教學(xué)中依據(jù)教學(xué)改革培養(yǎng)電源工程師為目標(biāo)不僅要介紹變壓器和電感的各個參數(shù)的計算方法，還會結(jié)合實際項目講授變壓器同名端和異名端在實際電源制作時的注意事項，變壓器的制作方法，掌握電壓器參數(shù)的測試方法和測試工具，掌握用示波器和信號發(fā)生器測試變壓器的匝比和同名端的方法。變壓器和電感的設(shè)計直接關(guān)系到隔離型變換器的性能，很多學(xué)生對變壓器和電感磁路設(shè)計部分學(xué)習(xí)起來會有些困難，所以這部分將作為課程的難點來重點講解。

1.4 保護(hù)電路設(shè)計

課堂教學(xué)中一部分學(xué)時將用來著重講解各種保護(hù)電路，包括輸入輸出過壓保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)等。將采用調(diào)研報告、啟發(fā)式和討論式等教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生去積累這些保護(hù)電路，學(xué)會在不同平臺、不同應(yīng)用場合使用不同的保護(hù)電路。

1.5 閉環(huán)電路調(diào)試

結(jié)合自動控制原理課程的相關(guān)知識，著重講解開關(guān)電源閉環(huán)電路的設(shè)計和分析，尤其是PID 調(diào)節(jié)器的調(diào)試方法，結(jié)合實際項目演示電源工程師閉環(huán)電路調(diào)試過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)開關(guān)電源的學(xué)習(xí)興趣，通過實物和仿真軟件讓學(xué)生體驗調(diào)試的樂趣，這部分是開關(guān)電源課程重點講解的內(nèi)容，要聯(lián)系實際項目，是課程的核心內(nèi)容。

以上5 個部分是課程的主要教學(xué)內(nèi)容塊，完全按照培養(yǎng)電源工程師的目標(biāo)下制定的教學(xué)計劃，可以做到較好地給學(xué)生從課堂到就業(yè)的過渡，而不再是到了工作崗位上感覺課堂學(xué)習(xí)的東西和實際工作聯(lián)系不緊密，什么知識什么技能都要工作之后學(xué)習(xí)。在課堂上，保證學(xué)生完全掌握第一個層次，通過課后作業(yè)、課堂實際項目案例、電源制作等形式的教學(xué)方法使大部分學(xué)生掌握層次二，在平時的教學(xué)中注意動手能力強或者電路設(shè)計能力強的學(xué)生，通過帶學(xué)生電子設(shè)計大賽、創(chuàng)新大賽，或者學(xué)生在項目中輔助教師擔(dān)任研發(fā)助理的工作等，使一部分學(xué)生研發(fā)能力可以快速提高，培養(yǎng)成具有基本技能的初級電源工程師［1］。

2 課程考核方式改革

考慮到開關(guān)電源課程的實踐性強的特點，著重考核學(xué)生掌握所學(xué)的基本電路拓?fù)淅碚摵图寄?，能綜合運用所學(xué)知識和技能去分析電路、調(diào)試和測試電路、分析電路故障及排除電路故障的能力。

2.1 制作電源實物

基于課堂系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)，獨立制作75W 單管正激變換器實物的能力考核，該正激變換器采用何種磁復(fù)位技術(shù)不限，根據(jù)班級人數(shù)，3 ～4 名同學(xué)為一個小組，明確不同分工，共同制作出一款正激變換器。同時培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作意識，考核的內(nèi)容也要增加當(dāng)該團(tuán)隊遇到分歧和困難的時候，是如何解決的。

2.2 課堂表現(xiàn)

主要是包括回答問題的情況，對問題分析的程度，出勤率，在平時小組討論時的表現(xiàn)和活躍程度。

2.3 科研報告、口頭匯報

通過讓學(xué)生搜索近3年國內(nèi)外開關(guān)電源、尤其是通信電源技術(shù)和產(chǎn)品的最新發(fā)展概況，增強學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力，在以后的學(xué)習(xí)和工作中掌握更新自己開關(guān)電源知識體系的能力，這是我們教學(xué)的重點，不只是教會學(xué)生電源的基本知識，還要教學(xué)學(xué)生學(xué)習(xí)探索開關(guān)電源領(lǐng)域的學(xué)習(xí)方法。選取部分優(yōu)秀學(xué)生的科研報告由學(xué)生濃縮成5 分鐘的口頭匯報結(jié)合PPT、實物動畫等多媒體展示方法在上課前5 分鐘做口頭匯報分享給學(xué)生們。不僅較好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)開關(guān)電源的興趣也能夠充分鍛煉學(xué)生的公開演講能力。

2.4 作業(yè)

作業(yè)著重在學(xué)生是否是自己獨立完成的電路設(shè)計，而不是應(yīng)付了事。哪怕學(xué)生的設(shè)計內(nèi)容很少，但是只要是他們自己經(jīng)過思考得來的就要比其參考其他人的作業(yè)效果要好很多。

考核成績組成部分如表1 所示。

表1 考核成績組成

3 開關(guān)電源技術(shù)教學(xué)改革反思

結(jié)合課堂教學(xué)改革，讓學(xué)生們一邊理論學(xué)習(xí)一邊同步到學(xué)校實訓(xùn)基地鞏固學(xué)習(xí)效果進(jìn)行電源制作和電路故障排除以及電源設(shè)計，注重對學(xué)生電源技術(shù)思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，加強校企合作，為學(xué)生營造良好的學(xué)習(xí)氛圍，同時，每年通過大學(xué)生科研立項和大學(xué)生電子設(shè)計大賽、創(chuàng)新大賽充分鍛煉學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)效果，教研團(tuán)隊教師會專門跟蹤和調(diào)研學(xué)生的理論與實踐結(jié)合的效果，從而不斷總結(jié)經(jīng)驗，更好地服務(wù)教學(xué)。通過學(xué)生全程參與大賽和項目的經(jīng)歷，充分挖掘?qū)W生的設(shè)計潛力和創(chuàng)新思維能力，讓學(xué)生充分享受到學(xué)習(xí)的樂趣，形成良性循環(huán)，并且可以拓展到其他科目，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)［2］。

［1］梁奇峰，廖鴻飛.基于工作任務(wù)的開關(guān)電源原理與分析教學(xué)改革［J］.職業(yè)教育研究，2012(6):88 －90.

［2］常云龍，李榮德，袁曉光，等.強化工程實踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J］.高等工程教育研究，2011(4):107－110.