“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)應用研究

　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(shí)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(dòng)當前教學(xué)內容與課時(shí)的前提下，改進(jìn)授課方式與考察方式，達到提高學(xué)生學(xué)習效果的目的。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(xiàn)與關(guān)鍵問(wèn)題，以更好幫助學(xué)生緊密知識點(diǎn)與授課內
容。
1、“電子電子技術(shù)”課程的教學(xué)方法
以問(wèn)題為導向的教學(xué)模式PBL是一種以問(wèn)題為導向，以學(xué)生自主學(xué)習為主的教學(xué)模式。這種模式在工科院校的實(shí)施存在一定的挑戰: 工科知識點(diǎn)的分散與問(wèn)題的提出形成了一對矛盾; 如不能準確提煉問(wèn)題，可能會(huì )導致學(xué)生對授課對象認識不夠全面，從而背離zui初的教學(xué)目標。所以提煉PBL模式下教學(xué)的技術(shù)路線(xiàn)與關(guān)鍵性問(wèn)題十分必要。既需要讓學(xué)生對提出的問(wèn)題一目了然，抓住重點(diǎn)，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(guān)的方式進(jìn)行教學(xué)，而進(jìn)入本課程學(xué)習時(shí)，要逐漸幫助學(xué)生建立起電路—模型—系統的概念。其后續課程主要注重數學(xué)描述與系統理論，故“電力電子技術(shù)”的教學(xué)在整個(gè)電氣工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)中處于中間環(huán)節，起著(zhù)承前啟后的作用; 所以采用以問(wèn)題為導向的教學(xué)模式時(shí)必須充分考慮“電力電子技術(shù)”課程的這一特殊性。
我們以圖1 所示的降壓式電子變換器為例。若定義開(kāi)關(guān)變量d = 1 代表開(kāi)關(guān)導通，d = 0 代表開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則可以寫(xiě)出用來(lái)描述系統動(dòng)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(gè)非線(xiàn)性方程組，對于電路設計者而言，可以利用該微分方程組進(jìn)行系統的建模與動(dòng)態(tài)仿真; 而對于電力電子電路的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，上式不具備電路( 物理) 直觀(guān)性，對理解電路工作過(guò)程及計算方法幫助十分有限。

圖1 降壓式電子變換器
所以在引出后續課程的分析方法之前，教師可以適當利用電路直觀(guān)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變。
2、課程教學(xué)主線(xiàn)分析
基于電路的分析方法可以幫助學(xué)生更好前接課程知識，消除對非線(xiàn)性開(kāi)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(xiàn)貫穿教學(xué)過(guò)程，以下面將介紹的四種分析方法為支撐。我們通過(guò)分析方法的映射，將電力電子電路八個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題起來(lái)，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)習中，KCL 和KVL 主要用在連續電路量上，而電力電子分析的電路量多為斷續量，例如圖1 中開(kāi)關(guān)T 和二極管D 聯(lián)結點(diǎn)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zui基本的分析工具?；趦蓚€(gè)定律并且結合多輪的教學(xué)實(shí)踐，本文提煉了如下四種分析方法。
1) 無(wú)源器件性質(zhì)
無(wú)源器件電感的伏秒平衡和電容的安秒平衡是開(kāi)關(guān)電路穩態(tài)運行的必要條件，這兩個(gè)平衡關(guān)系為穩態(tài)計算提供便利。通常電感伏秒平衡可以用來(lái)進(jìn)行電路穩態(tài)關(guān)系計算，而電容安秒平衡可以用于電容內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(gè)周期變化量進(jìn)行平均處理，用數學(xué)中時(shí)間加權的概念取變量的平均值進(jìn)行計算; 平均化技術(shù)將時(shí)變波形直流化，可以簡(jiǎn)化電路的穩態(tài)與動(dòng)態(tài)計算。
3) 小紋波假設
在一個(gè)相對電路時(shí)間常數很短的時(shí)間段內，如果電路變量變化不大，可以假設在這一段時(shí)間內此電路變量為恒定值; 或者用線(xiàn)性關(guān)系來(lái)代替指數關(guān)系。小紋波假設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(xiàn)性時(shí)變系統，控制系統設計主要關(guān)注系統的小信號特性; 而在電力電子初級學(xué)習階段，借助小信號分析法可以定性探討系統的紋波特性，從而得到一些有利于系統計算與設計的快速結論。
3、關(guān)鍵問(wèn)題研究
對本研究中教學(xué)模式的關(guān)鍵問(wèn)題凝煉可以有機結合本課程常用的分析方法，有邏輯性的展開(kāi)教學(xué)，幫助學(xué)生掌握電力電子電路的分析方法與手段。結合以往教學(xué)與科研實(shí)踐，本研究中提煉了如下八個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
1) 換流問(wèn)題
換流是開(kāi)關(guān)電路*的現象; 換流在本質(zhì)上是典型的KCL 問(wèn)題; 通過(guò)結合可控/不控開(kāi)關(guān)的性質(zhì)與KCL 定理可以使得分析過(guò)程更加直觀(guān)，有助于學(xué)生舉一反三。
2) 功率傳輸模式/濾波器模式問(wèn)題
開(kāi)關(guān)變換器由組合開(kāi)關(guān)與濾波器組成，分析電路時(shí)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(xiàn)所示變換器可以拆分成開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )與LC 濾波器的接連形式。這種拆分直觀(guān)地便于學(xué)生利用系統的視角，以模塊化的思想理解電路結構。

圖3 變換器端口網(wǎng)絡(luò )分解
3) 電感電流紋波問(wèn)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(kāi)關(guān)頻率和電感電流的紋波有直接。理解電感紋波問(wèn)題需要掌握無(wú)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(shí)際化。
4) 運行模式問(wèn)題
電感電流紋波的分析會(huì )直接引出變換器的電感電流連續模式CCM 與斷續模式DCM。這兩種模式導致電路的穩/暫態(tài)性能有較大區別，分析這兩種運行模式需要綜合運用第2 節中的技巧。對CCM 與DCM 模式下的各項指標的綜合對比，可以評估學(xué)生的綜合運用各種分析技巧的效果。
5) 穩態(tài)性能分析問(wèn)題
電力變換器的穩態(tài)性能主要指的是輸入輸出的電壓/電流關(guān)系、系統效率和功率因數等。平均化技術(shù)和無(wú)源器件性質(zhì)是求解此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵。
6) 開(kāi)關(guān)器件電壓/電流應力問(wèn)題
電力電子電路中，由于換流現象的存在，開(kāi)關(guān)器件的電壓和電流是斷續的; 要分析開(kāi)關(guān)器件的電壓電流應力，需要綜合利用KCL 和KVL 定理以及開(kāi)關(guān)器件容量的選取方法。對各基本電路拓撲中開(kāi)關(guān)器件電壓/電流的計算和比較，也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
7) 電容電壓紋波與電流計算問(wèn)題
大多數電力電子電路以恒壓輸出為主要目標，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(dòng)和電容電荷的充放電有直接關(guān)系，通過(guò)電容輸出節點(diǎn)的KCL 方程，再結合小信號分析法，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式。電容電壓與電流的計算對系統穩態(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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題與對應的定理與分析方法，主要分析技術(shù)分布于關(guān)鍵問(wèn)題之中，表明提出的關(guān)鍵問(wèn)題具有普適性。

表1 技術(shù)路線(xiàn)與關(guān)鍵問(wèn)題映射
本文提出了應用于“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)的技術(shù)路線(xiàn)、關(guān)鍵問(wèn)題及其呈現形式; 對該課程教學(xué)中的主要問(wèn)題進(jìn)行了剖析，對需要考察的知識點(diǎn)進(jìn)行了梳理與探討。分析結果表明，主要技術(shù)路線(xiàn)與關(guān)鍵問(wèn)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(shí)踐的評估表明，本文中提出的技術(shù)路線(xiàn)與關(guān)鍵問(wèn)題對學(xué)生的初步自學(xué)與后續的深入學(xué)習提供了清晰的思路。