郭磊磊 李琰琰 鄭安平 金楠 武潔 竇智峰

[摘 要] 該文探討了基于Matlab/Simulink的電力電子技術教學方法，以克服常規(guī)教學方法存在的諸多問題，提高電力電子技術的教學效果，并切實增強學生通過理論學習分析和解決實際復雜工程問題的能力。

[關鍵詞] 電力電子技術;新工科;Matlab/Simulink;復雜工程問題

[基金項目] 2020年度河南省新工科研究與實踐項目“面向新經(jīng)濟的電氣工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革探索與實踐”（2020JGLX050）;2019年度鄭州輕工業(yè)大學第五批青年教師教學改革與研究項目“工程認證背景下電力電子技術課程教學改革研究與實踐”（2019JG03）

[作者簡介] 郭磊磊（1987—），男，河南新鄉(xiāng)人，博士，鄭州輕工業(yè)大學講師，主要從事電力電子技術理論與實踐教學方法研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼]A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）38-0303-02? ? [收稿日期] 2020-04-08

近年來，在新工科、新經(jīng)濟、新技術快速發(fā)展的背景下，相對于電力電子技術的飛速發(fā)展而言，國內(nèi)部分高校的電力電子技術教學內(nèi)容與方案依然陳舊，無法實時跟蹤時代的發(fā)展。因此，在工程認證和新工科教育發(fā)展背景下，如何培養(yǎng)電力電子技術專業(yè)人才，滿足企事業(yè)單位對高素質(zhì)專業(yè)技術人才的迫切需求，成為亟待解決的關鍵問題[1]。

以下以鄭州輕工業(yè)大學的電力電子技術教學為例進行介紹。目前，我校的電力電子技術專業(yè)課主要覆蓋了電氣信息工程學院的電氣工程及其自動化、自動化等多個專業(yè)近300名學生。然而，現(xiàn)有的電力電子技術教學過程中還存在諸多問題，如下所述：

（1）過度理論化的教學存在內(nèi)容枯燥、無法吸引學生興趣等缺點，不利于培養(yǎng)學生解決實際復雜工程問題的能力。

（2）教學內(nèi)容陳舊，無法實時跟蹤現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展，導致學生接受的知識不能聯(lián)系實際。

為了切實提高我校電力電子技術的教學效果，提高學生獨立學習和研究電力電子技術的能力，增強學生解決復雜工程問題的能力，本文探討了基于Matlab/Simulink的電力電子技術教學方法[2]，并以降壓型（Buck）DC/DC電路為例進行了介紹。

一、DC/DC變換器的實際應用價值

為了吸引學生學習電力電子技術的興趣，增強學習解決復雜工程問題的能力，可以將理論學習與實際應用緊密聯(lián)系在一起。例如，DC/DC變換器在我們的生活中就擁有非常多的實際應用，包括手機充電器、筆記本電腦電源適配器等。因此，可通過對手機充電器的工作原理進行介紹，加深學生對電力電子技術的理解，激發(fā)學生的學習興趣。

二、Buck型DC/DC變換器

常用的Buck型DC/DC電路如圖1所示[3]。電力電子技術中專門對該電路拓撲的工作原理進行了介紹，并通過理論分析得到了輸入輸出電壓和電流波形，從而解釋了其實現(xiàn)直流電壓變換的基本原理。

然而，純粹的理論教學無法吸引學生的學習興趣。采用增加實驗教學課時的方案固然可以提高學生理論結(jié)合實際的能力，但實驗教學一方面會存在一定的安全隱患，另一方面由于實驗教學資源的限制，無法保證每名學生都能親自對所學的電力電子電路進行分析和驗證。再者，固定的實驗平臺常常只包括若干種固定的電路拓撲，這就阻礙了學生對電力電子技術進行一些探索性的研究。

三、基于Matlab/Simulink的電力電子技術教學

Matlab/Simulink為廣大教師、學生及工程技術人員提供了一個研究、開發(fā)電力電子技術的平臺，允許使用者按照自己的思考進行電力電子技術研究，提出新理論或進行分析驗證等，且不需要搭建任何硬件平臺，具體成本低、安全性高等諸多優(yōu)點。

常規(guī)的理論教學方法可以通過理論分析得到Buck型DC/DC電路的輸入輸出電壓電流波形，但這是一種單方向的依靠教師灌輸?shù)慕虒W方式，學生參與教學過程較少，因此其教學效果較差。

Matlab/Simulink為電力電子技術的理論分析提供了一種可靠的驗證手段，且允許學生進行電力電子技術的自學習，從而提高了學生參與課堂教學的能動性。更重要的是，Matlab/Simulink允許學生自行設計電力電子拓撲并進行研究，因此可以極大的提高學生的學習興趣，從而提高教學效果。

圖2給出了通過理論分析得到的Buck型DC/DC電路的電壓電流波形。在VT的驅(qū)動信號Uge為高電平時，VT導通。此時，二極管承受的電壓為電源電壓，電感電流在電源電壓的作用下線性增加。在Uge為低電平時，VT關斷。此時VD導通，電感續(xù)流，電感電流在輸出電壓的作用下線性減小。

為了驗證所述的理論分析，可以通過Matlab/Simulink建立Buck電路的仿真模型，如圖3所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

對比圖4所示的仿真結(jié)果和圖2所示的理論分析結(jié)果可見，仿真結(jié)果很好的驗證了理論分析，從而為理論分析的可靠性提供了仿真驗證。

此外，根據(jù)Buck型DC/DC輸入輸出的關系可知，當輸入電壓為200V，占空比為25%時，其輸出電壓理論值應為50V。為進行驗證，圖5給出了實際仿真得到的輸出電壓波形。

然而，由圖5可見，實際理論分析和仿真結(jié)果存在一定的誤差，這也說明了單純的理論分析與實際結(jié)果是存在一定的差別的。在進行理論分析時，常假設可控器件IGBT、不可控二極管、濾波電感等元件是理想的。然而，單純依靠這種理論教學的方法無法讓學生清楚認識到理論分析與實際之間的差別及其原因。而借助于Matlab/Simulink則可以讓學生自由的去分析和研究，從而可以更好的將理論分析和實際結(jié)果對應聯(lián)系在一起，也能讓學生更深入的理解書本上理論分析的優(yōu)點及其局限性，為今后解決實際復雜工程技術問題提供良好的理論基礎。

四、結(jié)論

采用Matlab/Simulink來提高電力電子教學效果的方法不僅可以大幅度提高學生自主學習的能力和興趣，增加學生課堂參與感，而且可以將理論學習和實際工程問題緊密聯(lián)系在一起，能夠使學生充分理解理論分析的意義和局限性，切實提高學生解決實際復雜工程問題的能力。

參考文獻

[1]金楠，楊存祥.PSIM軟件在電力電子技術課程教學中的應用研究[J].中國電力教育，2013（27）：111-112.

[2]林飛，杜欣.電力電子應用技術的MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]張新建，范娟，魯艷旻，等.基于Matlab的“電力電子技術”課程仿真教學研究[J].中國電力教育，2014（9）：75-76.

Exploration on Teaching Methods of Power Electronic Technology in the Context of Emerging Engineering

GUO Lei-lei，LI Yan-yan，ZHENG An-ping，JIN Nan，WU Jie，DOU Zhi-feng

（College of Electrical Information Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，Henan 450002，China）

Abstract：This paper discusses the teaching method of Power Electronic Technology based on Matlab/Simulink，in order to overcome many problems existing in conventional teaching methods，improve the teaching effect of this course，and enhance the students' ability to analyze and solve practical complex engineering problems by theoretical learning.

Key words：Power Electronic Technology;emerging engineering;Matlab/Simulink;complex engineering problems