左廷友 蘇瑞 劉益民

摘? 要：工科職業(yè)教育是國(guó)家發(fā)展的重要基石和“助燃劑”，國(guó)有電力裝備企業(yè)的深化改革必將帶動(dòng)工業(yè)電氣設(shè)備大發(fā)展，電力電子變換器也已成為企業(yè)科技創(chuàng)新的核心競(jìng)爭(zhēng)力。以《電力電子技術(shù)》這門(mén)課程為理論基礎(chǔ)，提出一種滿足企業(yè)發(fā)展所需要的“實(shí)戰(zhàn)型”教學(xué)模式，使學(xué)生熟悉電力電子變換器從設(shè)計(jì)到樣機(jī)調(diào)試的全過(guò)程，加強(qiáng)工科學(xué)生的動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：電力電子變換器? 科技創(chuàng)新? 實(shí)戰(zhàn)型? 全過(guò)程

中圖分類(lèi)號(hào)：G71 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（a）-0233-04

Exploration and Practice of "Power Electronic Converter" Course in Vocational Education

ZUO Tingyou? SU Rui? LIU Yimin

（School of Automation， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing， Jingsu Province， 211800 China）

Abstract： Engineering vocational education is an important cornerstone and "combustion promoter" for national development. The deepening reform of state-owned power equipment enterprises will certainly drive the great development of industrial electrical equipment， and power electronic converter has also become the core competitiveness of enterprise scientific and technological innovation. Based on the theory of power electronic technology， this paper puts forward a practical teaching mode to meet the needs of enterprise development， so that students can be familiar with the whole process of power electronic converter design and prototype debugging， and promote the practical ability of engineering students.

Key Words： Power electronic converter; Technological innovation; Actual combat type; Whole process

本文提出一種“實(shí)戰(zhàn)型”教學(xué)的思路，培養(yǎng)出一批具有動(dòng)手能力、實(shí)踐能力的應(yīng)用型學(xué)生。也為其他課程教學(xué)提供一種思路和方法，在社會(huì)發(fā)展和企業(yè)改革下提高學(xué)生就業(yè)質(zhì)量和崗位競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著政府對(duì)國(guó)有電力裝備企業(yè)的深化改革，以及電網(wǎng)企業(yè)剝離裝備制造等競(jìng)爭(zhēng)性業(yè)務(wù)的加快發(fā)展，民營(yíng)電力裝備企業(yè)迎來(lái)了空前的紅利時(shí)代，這意味著需要更多電氣類(lèi)的研究型專(zhuān)業(yè)人才來(lái)為企業(yè)注入新鮮血液，增強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

《電力電子技術(shù)》是電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干課程，該課程具有工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)[1]?！袄碚?仿真”的教學(xué)模式往往無(wú)法真正滿足企業(yè)對(duì)于電氣類(lèi)人才的需求。本課程綜合了數(shù)字電路技術(shù)、模擬電路技術(shù)、自動(dòng)控制理論等課程內(nèi)容，綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)。實(shí)踐出真知，直接經(jīng)驗(yàn)更易得出真理，諸多電氣類(lèi)學(xué)生在工作中也不難發(fā)現(xiàn)，書(shū)本所學(xué)的理論知識(shí)尚不足以應(yīng)對(duì)實(shí)際工作時(shí)所產(chǎn)生的難題。因此，針對(duì)《電力電子技術(shù)》開(kāi)設(shè)實(shí)踐課程就顯得尤為重要。電力電子技術(shù)課程旨在培養(yǎng)一批符合時(shí)代發(fā)展的，擁有強(qiáng)大實(shí)踐能力和創(chuàng)造性的綜合型應(yīng)用人才[2]，豐富課堂教學(xué)中理論知識(shí)，拓展課堂教學(xué)的深度和廣度[3]。本文結(jié)合本校實(shí)際情況，提出了一種涉及知識(shí)面廣、將仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的“電力電子變換器”課程教學(xué)體系，可以讓學(xué)生在這門(mén)課中復(fù)習(xí)理論、實(shí)戰(zhàn)學(xué)習(xí)，將理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相統(tǒng)一。

1? 工科職業(yè)教育中理論結(jié)合實(shí)踐的必要性

在國(guó)有電力設(shè)備制造企業(yè)改革的紅利下，大多數(shù)民營(yíng)電力裝備企業(yè)會(huì)抓住機(jī)遇加快研發(fā)新設(shè)備，進(jìn)一步提高市場(chǎng)份額。電力電子變換器作為開(kāi)關(guān)電源的重要組成部分，是電力裝備企業(yè)涉及高新技術(shù)的核心設(shè)備，包括UPS、逆變電源、整流模塊等設(shè)備。這些設(shè)備保障了電網(wǎng)一次設(shè)備穩(wěn)定、可靠、可控地運(yùn)行，為居民用電和工、商業(yè)用電提供保障。開(kāi)關(guān)電源類(lèi)設(shè)備也成為電力裝備類(lèi)企業(yè)科技創(chuàng)新的核心內(nèi)容，研發(fā)類(lèi)崗位門(mén)檻更高，所需知識(shí)儲(chǔ)備也更多。因此對(duì)高校畢業(yè)生的要求也是越來(lái)越高，真正具備優(yōu)秀實(shí)踐能力和理論知識(shí)儲(chǔ)備的學(xué)生才能成為企業(yè)所需人才。

在工科職業(yè)教育中，立足于專(zhuān)業(yè)特色和行業(yè)背景，明確《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)的任務(wù)、作用，以“注重素質(zhì)培養(yǎng)，強(qiáng)化實(shí)踐能力”為指導(dǎo)思想[4]?！半娏﹄娮幼儞Q器”課程應(yīng)注重理論結(jié)合實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手解決問(wèn)題的能力，如讓學(xué)生了解變換器的工作機(jī)制的同時(shí)也需要掌握其設(shè)計(jì)理念，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。強(qiáng)理論、重實(shí)踐、感興趣才能有助于增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，提高學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量和就業(yè)質(zhì)量，推動(dòng)工科職業(yè)教育進(jìn)行教法的深化改革。

2? 針對(duì)課程講授的實(shí)施

“電力電子變換器”應(yīng)講授的理論部分主要有電力電子器件、各類(lèi)拓?fù)?、PWM控制技術(shù)，本文不再贅述此部分。本文主要通過(guò)設(shè)計(jì)并制作一款后級(jí)buck變換器來(lái)演示“實(shí)戰(zhàn)型”教學(xué)，為學(xué)生詳細(xì)講解buck變換器樣機(jī)“從無(wú)到有”的全過(guò)程，再將學(xué)生按照人數(shù)劃分小組，各自完成相關(guān)的設(shè)計(jì)和調(diào)試任務(wù)。

2.1 buck基本拓?fù)潆娐穮?shù)計(jì)算與仿真環(huán)節(jié)（CCM模式下）

2.1.1 參數(shù)計(jì)算步驟

圖1為buck電路基本拓?fù)?，這里需要計(jì)算的主要參數(shù)為電感量L和輸出電容值C[5]。但實(shí)踐操作興趣較濃的特點(diǎn)，可采取先實(shí)踐后理論的方法，讓學(xué)生自己研究電子元件，從中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并尋找答案，進(jìn)而提高學(xué)生探索學(xué)習(xí)積極性[6]。

在計(jì)算之前，我們需要根據(jù)我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)預(yù)設(shè)一些參數(shù)指標(biāo)，如輸入電壓Vin、輸出電壓Vo、開(kāi)關(guān)頻率f、負(fù)載RL、電感電流紋波ΔiL和輸出電壓紋波ΔuC。

電感量L和輸出電容值C的計(jì)算主要依據(jù)根據(jù)伏秒平衡原理，具體的計(jì)算過(guò)程在電力電子技術(shù)的理論課程已講述，本文不再展開(kāi)，具體設(shè)計(jì)條件和參數(shù)見(jiàn)表1。

2.1.2 參數(shù)驗(yàn)證步驟

PSIM 全稱(chēng)Power Simulation，是專(zhuān)門(mén)針對(duì)電力電子電路設(shè)計(jì)的一款仿真軟件。該軟件各個(gè)量均為理想型，是輔助教學(xué)的良好工具。在參數(shù)計(jì)算后采用PSIM仿真的方式進(jìn)行驗(yàn)證，可以快速、便捷的查看參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求，是在元件選型和制作PCB電路板之前的一個(gè)重要步驟。

根據(jù)表1的參數(shù)，在PSIM軟件下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，buck電路模型如圖2所示，輸出電壓Vo波形如圖3所示，電感電流iL如圖4所示。

在計(jì)算參數(shù)L=1.05mH、C=70pF下，圖3、圖4的仿真結(jié)果輸出電壓Vo穩(wěn)態(tài)值為70V，紋波率小于5%;電感電流iL穩(wěn)態(tài)下為4A，紋波率為5%。本仿真驗(yàn)證了表1參數(shù)L、C的正確性。

2.2 元器件選型與繪制PCB電路板環(huán)節(jié)

2.2.1 元器件選型步驟

元器件選型可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)元器件的認(rèn)識(shí)。學(xué)生對(duì)元器件的認(rèn)識(shí)可能還停留在仿真電路圖中的一個(gè)符號(hào)，對(duì)元器件取值與體積之間的關(guān)系毫無(wú)概念，理論計(jì)算出來(lái)的取值是否能買(mǎi)到也是一無(wú)所知。通過(guò)本次“實(shí)戰(zhàn)型”課程教學(xué)就可以讓學(xué)生真切地感受到元器件是什么樣子的、什么叫封裝、什么時(shí)候用什么樣的封裝、各個(gè)封裝的元器件有什么不同的用途等等。

這里也需要對(duì)buck電路的驅(qū)動(dòng)芯片選型，驅(qū)動(dòng)芯片是沒(méi)有出現(xiàn)在PSIM仿真軟件中的，這也是只進(jìn)行仿真教學(xué)的一個(gè)重要缺點(diǎn)。本實(shí)例buck電路的MOS管的源極連接著電感，并沒(méi)有接到地。當(dāng)PWM信號(hào)加在G、S兩極時(shí)就不能保證VGS大于MOS管的導(dǎo)通閾值，因此這里需要選擇一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)MOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室條件，將元器件的型號(hào)和參數(shù)歸類(lèi)后羅列出清單，讓學(xué)生依據(jù)參數(shù)計(jì)算的結(jié)果和電路運(yùn)行時(shí)元件所要承受的電壓、電流值在清單中選擇合適的元器件。

2.2.2 電路板繪制步驟

PCB原理圖可以使用Altium Designer、Mentor pads、立創(chuàng)EDA等軟件進(jìn)行繪制，這就需要學(xué)生提前學(xué)習(xí)這些軟件的使用方法，這也是作為一名電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生所必須會(huì)使用的工具之一。本教學(xué)步驟可以讓學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的電路落到“實(shí)處”，原理圖生成PCB文件后，再將元器件擺放并連線后即可發(fā)到工廠打印出電路板。

本步驟是實(shí)踐性最強(qiáng)的部分，這里需要進(jìn)行多個(gè)繪制環(huán)節(jié)才能完成可打樣的PCB文件，如繪制原理圖庫(kù)、PCB封裝庫(kù)、原理圖、元件擺放等，這使學(xué)生也會(huì)明白為什么需要先選好封裝再進(jìn)行電路板的繪制。本步驟也是設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)最多的部分：PCB板的大小、元器件擺放的位置、連接線的長(zhǎng)短粗細(xì)、過(guò)孔的大小等等因素都會(huì)影響到電路調(diào)試的效果，這里也是需要學(xué)生多進(jìn)行文獻(xiàn)閱讀和電路調(diào)試才能做好本部分內(nèi)容。

本次示例教學(xué)buck電路在Altium Designer下原理圖如圖5所示。其中TLP250為驅(qū)動(dòng)芯片;D1為T(mén)O-220封裝的肖特基二極管;CN2為二極管電流測(cè)量端口，CN3為電感電流測(cè)量端口;C1、R11、R12、R21、R22為RC吸收電路，可防止二極管反向?qū)?PWM信號(hào)通過(guò)U1的2、3引腳輸入并預(yù)留多個(gè)端口方便信號(hào)的輸入和測(cè)量。需要注意的是，圖5中存在兩個(gè)“地”，其中一個(gè)是“GND”意為信號(hào)地，另一個(gè)是“PGND”意為功率地。

2.3 電路調(diào)試環(huán)節(jié)

電路調(diào)試是一個(gè)驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性和考查動(dòng)手能力、使用儀器能力的環(huán)節(jié)，調(diào)試結(jié)果也最易受到各方面的影響，這就需要學(xué)生們?cè)谡{(diào)試時(shí)做好記錄。這里的設(shè)計(jì)不僅包括參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，還包括PCB板設(shè)計(jì)的合理性。調(diào)試環(huán)節(jié)也是最能考查和鍛煉學(xué)生遇到問(wèn)題時(shí)如何解決的能力，因?yàn)檎{(diào)試結(jié)果受到多方面影響，除了設(shè)計(jì)方面的因素還有焊接、上電時(shí)序、測(cè)量設(shè)備等因素，所以需要學(xué)生思維一定要縝密并將各方面因素都考慮到。在調(diào)試過(guò)程中使用到很多設(shè)備，如直流電源、電子負(fù)載、示波器、輔助源等，這也是電氣類(lèi)學(xué)生在畢業(yè)后從事相關(guān)工作所常用到的設(shè)備。如何正確使用這些設(shè)備又是需要學(xué)生學(xué)習(xí)的一項(xiàng)內(nèi)容，這又是單一仿真教學(xué)所涉及不到的知識(shí)。

3? 結(jié)語(yǔ)

電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展， 正在快速改變?nèi)藗兊纳罘绞絒7]。本文以buck電路為例，講述了電力電子變換器面向職業(yè)化的“實(shí)戰(zhàn)型”課程的全過(guò)程，可以讓學(xué)生們跳出對(duì)電力電子變換器書(shū)本層面的認(rèn)識(shí)，親自繪制電路板并進(jìn)行調(diào)試，這個(gè)“從無(wú)到有”的過(guò)程中涉及到的每一個(gè)知識(shí)都是可以也是值得深挖的。結(jié)合本校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，這種實(shí)戰(zhàn)型的教學(xué)模式已經(jīng)逐步開(kāi)始實(shí)施并在電子設(shè)計(jì)大賽中獲得省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)?；诠た坡殬I(yè)教育的背景，這種“實(shí)戰(zhàn)型”教學(xué)模式就有了更明顯的優(yōu)勢(shì)。

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