孫 佳，齊文娟，黃梓昂

(上海交通大學(xué) 電氣信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

電力電子課程設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺(tái)的構(gòu)建

孫 佳，齊文娟，黃梓昂

(上海交通大學(xué) 電氣信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

隨著科技的日益發(fā)展與進(jìn)步，電類專業(yè)大學(xué)生的電子設(shè)計(jì)水平與實(shí)踐動(dòng)手能力亟待加強(qiáng)。電力電子課程設(shè)計(jì)是一門以實(shí)踐為主的設(shè)計(jì)性課程。首先介紹了該課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法、課程內(nèi)容等信息，然后詳細(xì)講述了該課程實(shí)踐平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路，最后以反激電源為例給出了該實(shí)踐平臺(tái)的教學(xué)成果，并展示了優(yōu)秀學(xué)生作品。實(shí)踐證明，通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠清晰地了解電子設(shè)計(jì)的思路與流程，掌握電源設(shè)計(jì)及調(diào)試的一般方法，大大提高電子電路設(shè)計(jì)水平和動(dòng)手能力，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。

電力電子; 課程設(shè)計(jì); 反激電源； 實(shí)踐平臺(tái)

0 引 言

近年來，在教學(xué)改革與就業(yè)需求的大環(huán)境變化下，實(shí)踐性課程的建設(shè)已逐步成為本科生教學(xué)的一個(gè)重要組成部分[1]。我校電氣工程實(shí)驗(yàn)中心經(jīng)過一系列的探索和實(shí)踐，逐步完善了以實(shí)踐為主的課程設(shè)計(jì)教學(xué)體系，使學(xué)生在本科生階段就能夠獲得自主設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，將理論與實(shí)踐更好的結(jié)合[2-4]。

電力電子課程設(shè)計(jì)是高校電氣相關(guān)專業(yè)的一門重要課程，它集技術(shù)性、工程性和實(shí)踐性于一體，通過項(xiàng)目方案制定、硬件原理圖設(shè)計(jì)[3]、PCB制版、系統(tǒng)調(diào)試等步驟，學(xué)習(xí)電子電路的設(shè)計(jì)及制作方法。實(shí)驗(yàn)中心開設(shè)的電力電子課程設(shè)計(jì)以電力電子專業(yè)最典型的電源設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，要求學(xué)生完成一套完整的電源設(shè)計(jì)作品[5-7]。本文通過介紹該課程平臺(tái)的構(gòu)建，對(duì)其組織形式和教學(xué)成果進(jìn)行總結(jié)。

1 電力電子課程體系

1.1課程性質(zhì)和教學(xué)目標(biāo)

此課程是電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)的重要課程，目的是使學(xué)生了解和掌握電力電子電路的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法，初步學(xué)習(xí)電路板的設(shè)計(jì)、制作以及調(diào)試的基本方法，加強(qiáng)學(xué)生自學(xué)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)。

1.2教學(xué)方法

課程以學(xué)生自行設(shè)計(jì)為主，結(jié)合教師及助教輔導(dǎo)答疑。課堂教學(xué)主要講解電源設(shè)計(jì)基本原理，提高學(xué)生對(duì)電源設(shè)計(jì)的興趣、初步了解設(shè)計(jì)方法。著重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)、自主學(xué)習(xí)的能力和實(shí)踐動(dòng)手的能力[8]。

1.3課程內(nèi)容

以反激電源為例，講解電源的基本結(jié)構(gòu)及其變換技術(shù)的原理和設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生清晰地了解電力電子電路設(shè)計(jì)的基本步驟，學(xué)會(huì)反激電源設(shè)計(jì)及調(diào)試的方法。具體課程內(nèi)容為:①了解反激電源的結(jié)構(gòu)及各主要部件工作原理。②根據(jù)反激電源的工作原理繪制硬件原理圖，生成.sch文件。③使用電路仿真軟件Multisim針對(duì)設(shè)計(jì)好的原理圖進(jìn)行仿真。④據(jù)仿真結(jié)果修改并完善原理圖，使用Altium Designer軟件繪制PCB圖，生成.pcb文件。⑤將生成的.pcb文件制成印刷電路板，焊接元器件。⑥調(diào)試硬件，記錄數(shù)據(jù)及波形，完成設(shè)計(jì)報(bào)告。

2 電力電子課程設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺(tái)構(gòu)建

2.1實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

設(shè)計(jì)一套反激電源電路板，輸入為DC 40～100 V，輸出為4路DC，分別為+15、+15、-15和+12 V，傳輸功率50 W。

2.2實(shí)現(xiàn)方法

(1) 反激電源的定義及特點(diǎn)。開關(guān)電源可分為隔離與非隔離兩種形式。隔離電源按照結(jié)構(gòu)形式不同，可分為兩大類：正激式和反激式。正激式指在變壓器原邊導(dǎo)通同時(shí)副邊感應(yīng)出對(duì)應(yīng)電壓輸出到負(fù)載，能量通過變壓器直接傳遞。半橋、橋式電路都屬于正激電路。反激式指在變壓器原邊導(dǎo)通時(shí)副邊截止，變壓器儲(chǔ)能。原邊截止時(shí)，副邊導(dǎo)通，能量釋放到負(fù)載的工作狀態(tài)。

正激和反激電路各有其特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)電路的過程中為達(dá)到最優(yōu)性價(jià)比，可以靈活運(yùn)用。一般在小功率場(chǎng)合可選用反激式。稍微大一些可采用單管正激電路，中等功率可采用雙管正激電路或半橋電路，低電壓時(shí)采用推挽電路，與半橋工作狀態(tài)相同。大功率輸出，一般采用橋式電路，低壓也可采用推挽電路。

反激式電源因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省掉了一個(gè)和變壓器體積大小差不多的電感，而在中小功率電源中得到廣泛的應(yīng)用。一般情況下，反激式電源功率只能做到幾十W，輸出功率超過100 W就沒有優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)起來有難度。只有極少數(shù)公司的芯片可以將反激式電源做到300 W左右。

(2) 反激電源工作原理。反激電源工作電路如圖1所示。當(dāng)功率管Q導(dǎo)通時(shí)，電源電壓Uin加在變壓器原邊繞組兩端，此時(shí)副邊感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)下正上負(fù)，二極管D1截止，輸出電壓Uout由濾波穩(wěn)壓電容提供；當(dāng)功率管Q關(guān)斷時(shí)，原邊繞組開路，此時(shí)副邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反向，導(dǎo)通二極管D1，儲(chǔ)存在變壓器中的磁場(chǎng)能一邊給電容C1、C2充電，一邊給負(fù)載供電。故反激電源中的變壓器有兩個(gè)作用：儲(chǔ)能和傳遞能量。

圖1 反激電源工作原理圖

當(dāng)反激電源電路工作于連續(xù)傳導(dǎo)模式時(shí)，分析其輸入輸出關(guān)系：設(shè)功率管Q工作時(shí)的PWM波占空比為Duty，Q導(dǎo)通時(shí)，Uin給變壓器充電；Q關(guān)斷時(shí)，變壓器給電容充電，因此可以得到關(guān)系式：

式中K12=N1/N2，N1和N2分別為變壓器原邊繞組和副邊繞組的匝數(shù)[9-14]。

(3) 原理圖設(shè)計(jì)。圖2所示為主電路輸入部分原理圖，輸入電壓加在BAT+和BAT-之間，經(jīng)變壓器原邊和功率管Q1(K3564)。Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷由芯片UC2845控制，UC2845通過反饋引腳采集一路+15 V輸出分壓而來的電壓來與參考的+2.5 V做比較，從而控制PWM波的輸出，進(jìn)而控制Q1的導(dǎo)通情況，使輸出的+15 V能夠接近理想值。Q1的驅(qū)動(dòng)電路也由UC2845整合。

圖2 輸入部分原理圖

UC2845芯片開始工作時(shí)需要一個(gè)開啟電壓，此時(shí)的開啟電壓由BAT+經(jīng)一個(gè)高阻功率電阻來提供；當(dāng)芯片開始工作后，需要的工作電壓大于開啟電壓，此時(shí)的工作電壓由逐漸穩(wěn)定的+15 V輸出電壓反饋回來提供。

與Q1并聯(lián)的緩沖電路可以起到吸收電壓尖峰的作用。

圖3為主電路輸出部分原理圖。主電路共有4路直流輸出，分別為2路+15 V、1路-15 V和1路+12 V。

(4) 電路仿真。原理圖設(shè)計(jì)完畢后，使用電路仿真軟件Multisim進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證電路的合理性。搭建的仿真電路如圖4所示。仿真電路基本按照原理圖來搭建。借助Multisim強(qiáng)大的仿真功能，可以得到比較理想的仿真結(jié)果[15-16]。

圖3 輸出部分原理圖

圖4 仿真電路

仿真結(jié)果如圖5，輸出為其中一路+15 V，從波形可以看到，輸出在8 ms內(nèi)從0 V開始慢慢上升至+15 V并趨于穩(wěn)定，符合預(yù)期。該路+15 V輸出會(huì)作為反饋信號(hào)，反饋到控制芯片的對(duì)應(yīng)引腳上，以調(diào)整各路輸出。也就是說，這路輸出的準(zhǔn)確性間接影響了其他路輸出的準(zhǔn)確性。

圖5 仿真結(jié)果

(5) PCB設(shè)計(jì)。PCB設(shè)計(jì)使用Altium Designer來完成，雙層布線。

反激電源的PCB如圖6所示。輸入接口和輸出接口都設(shè)置在PCB板下方，有利于與外部電路進(jìn)行連接，方便調(diào)試等。

圖6 反激電源PCB設(shè)計(jì)

接口排針的上部為4路輸出電路，排列有序，方便調(diào)試時(shí)引出輸出端。

PCB板上半部分為控制電路，下半部分為主電路，變壓器置于中間偏左，功率管和散熱片置于中間偏右。整體的功能結(jié)構(gòu)分塊井然有序。

2.3結(jié)果調(diào)試

電路焊接完成后進(jìn)行調(diào)試，輸入DC+48 V，測(cè)試4路輸出，可得如圖7～10所示4個(gè)輸出波形。

圖7 +15V D輸出

圖8 -15V T輸出

圖9 +15V P輸出

圖10 +12V D1輸出

從該4圖的波形看，輸出基本為穩(wěn)定的直流。圖7～9 3路輸出的電壓峰峰值較小，而圖10輸出的電壓峰峰值稍大，說明在這一路PCB的設(shè)計(jì)上還有改善的余地。

從學(xué)生設(shè)計(jì)的角度上看，各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)都在允許的誤差范圍內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

由學(xué)生采用團(tuán)隊(duì)合作形式(每組2或3人)自行設(shè)計(jì)并焊接調(diào)試的反激電源作品如圖11所示。

圖11 反激電源學(xué)生設(shè)計(jì)作品

3 結(jié) 語

電力電子課程設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺(tái)緊跟現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，考慮學(xué)生知識(shí)層次與理解能力，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況，講解反激電源的基本原理和主要電路結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生獨(dú)立完成反激電源電路原理圖的設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB圖的繪制以及硬件電路的調(diào)試，大大鍛煉了學(xué)生的文獻(xiàn)閱讀、團(tuán)隊(duì)合作、動(dòng)手實(shí)踐等能力。

[1] 陳 萬，丁衛(wèi)紅，鄔青海,等.電力電子技術(shù)課程理論和實(shí)踐同步教學(xué)法[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(6)： 93-95．

[2] 趙仁德,王艷松,張加勝.電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容與考核方法的探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(4):59-60，65．

[3] 陶俊珍.電力電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容更新例析[J].中國電力教育，2011(9):160-166．

[4] 唐 杰，林 立，李海娜.電力電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容改革研究[J].中國電力教育,2011(24)：178-180.

[5] 趙益波.電力電子技術(shù)創(chuàng)新型課程設(shè)計(jì)探討[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(5):111-112．

[6] 張玉峰，周奇勛，賀虎成,等.電力電子技術(shù)課程引導(dǎo)型教學(xué)模式研究[J].教育教學(xué)論壇，2016(32):188-189．

[7] 丘東元，劉 斌，張 波,等.電力電子技術(shù)綜合性課程設(shè)計(jì)內(nèi)容探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(2):49-51,62．

[8] 唐賢倫，羅 萍，嚴(yán) 冬.電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)過程規(guī)范化的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(12)：145-150.

[9] 段哲民，陳志寅，任 艷.單端初級(jí)電感變換器拓?fù)涞腖ED電源設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2010(8):95-96.

[10] 陳 洋，段哲民，郭 龍.反激式變換器拓?fù)涞腖ED電源設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22(2):95-97.

[11] 徐艷霞.基于TOP Switch反激式高精度開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2012(6):33-38.

[12] 曹昕鷙，王鹿軍.雙管反激電源的分析與設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2012，29(11):1337-1339，1349.

[13] 張厚升，趙艷雷.新型多功能反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(1):113-117.

[14] 丁新平，王伯榮，苑 紅.集成耦合電感升壓—反激變換器的性能研究[J].電測(cè)與儀表，2016，53(12):13-18.

[15] 丘東元，張 波.基于仿真平臺(tái)的電力電子技術(shù)教學(xué)模式探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，20(4):73-77．

[16] 楊浩東，王 偉.電力電子教學(xué)中常用仿真軟件對(duì)比[J].中國電力教育，2012(3):112-113．

ConstructionofPowerElectronicsCourseDesignExperimentalPlatform

SUNJia,QIWenjuan,HUANGZiang

(School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

With the development of science and technology, thee lectrical major students’ ability of electronic design and practices is highly expected to be consolidated.Electrical/electronic design is such a curriculum based on practices.This article firstly introduces some information such as curriculum goals, methodologies and contents.Then it demonstrates the design idea of the platform.Lastly taking “flyback power supply” as an instance, it concludes the result of the course and also lays out the designs from excellent students.From this course, students can get a clear comprehension on the idea and general process of electronic design, and master the methods of power supply design, which can improve their ability of power electronic circuit design.It would be significant for their further research and future jobs.

power electrics; course design; flyback power supply; practical platform

TP 216

A

1006-7167(2017)10-0244-04

2016-10-08

孫 佳(1983-)，女，黑龍江哈爾濱人，工程師，電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心副主任，主要研究方向: 電力電子與電力傳動(dòng)。Tel.:021-54742868; E-mail:sjia@sjtu.edu.cn