工程案例在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院 張 志 劉 暢 唐 校 康 麗

工程案例在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院 張 志 劉 暢 唐 校 康 麗

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動(dòng)化和自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，并且是一門(mén)與實(shí)踐聯(lián)系比較緊密的課程。以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目的，從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面對(duì)該課程進(jìn)行了教學(xué)改革。通過(guò)對(duì)工程實(shí)踐中電力電子技術(shù)應(yīng)用的典型案例進(jìn)行講解，并結(jié)合電力電子技術(shù)中相關(guān)課程內(nèi)容，最后通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了實(shí)施，探討了教學(xué)實(shí)施的過(guò)程，完善了案例教學(xué)方法，培養(yǎng)了學(xué)生的興趣和實(shí)踐能力，提高了教學(xué)的效果。

案例教育； 實(shí)踐環(huán)節(jié)； LED驅(qū)動(dòng)

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動(dòng)化和自動(dòng)化等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。它是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一門(mén)技術(shù)，是弱電控制強(qiáng)電的橋梁和紐帶，具有較強(qiáng)的實(shí)用性及廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。針對(duì)傳統(tǒng)常規(guī)課堂教學(xué)采用“填鴨式”教學(xué)方法，本文提出采用“工程案例式”教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生興趣和積極性。

以電力電子技術(shù)課程整流電路（AC/DC）和直直變換(DC/ DC)的教學(xué)內(nèi)容為分析對(duì)象，創(chuàng)新教學(xué)方法，以高頻高功率隔離型發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動(dòng)電源為典型的工程教學(xué)案例[5-8]，改進(jìn)教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生興趣和實(shí)踐能力。

1.LED驅(qū)動(dòng)電源的工作原理

圖1 L E D驅(qū)動(dòng)器主電路結(jié)構(gòu)

圖1為兩級(jí)變換LED驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。前級(jí)AC/DC部分采用升壓（BOOST）電路實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，工作于臨界導(dǎo)通模式（BCM）。通過(guò)消除升壓二極管的反向恢復(fù)損耗，功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）以零電流方式導(dǎo)通，減小開(kāi)關(guān)損耗。后級(jí)DC/DC部分采用反激變換器，工作于準(zhǔn)諧振模式，降低了MOSFET的開(kāi)通損耗。

1.1 B C M升壓功率因數(shù)校正（P F C）部分的工作原理分析

圖2 B O O S T P F C工作于B C M模式

圖3 理想情況下輸入電壓和電流波形

BOOST PFC部分工作于BCM模式（如圖2所示），消除了二極管反向恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)MOSFET以零電流方式導(dǎo)通，減小開(kāi)關(guān)損耗。傳統(tǒng)BOOST PFC部分工作于連續(xù)電流導(dǎo)通模式（CCM），采用乘法器的方式實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需要電壓電流雙環(huán)反饋控制。而DCM模式下輸入峰值電流自動(dòng)跟隨輸入電壓，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電感量小等優(yōu)點(diǎn)，并且能消除二極管反向恢復(fù)時(shí)間，但存在開(kāi)關(guān)損耗高和器件應(yīng)力大等缺點(diǎn)。而工作于BCM模式不存在器件應(yīng)力大和二極管反向恢復(fù)問(wèn)題，具有最佳的綜合性能。

本案例采用無(wú)乘法器臨界導(dǎo)通模式來(lái)進(jìn)行功率因數(shù)校正。假設(shè)輸入電壓，下面在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)前面升壓電路進(jìn)行分析。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感電流iL從零開(kāi)始上升。在導(dǎo)通時(shí)間[0,ton]內(nèi)，滿足如下關(guān)系式：

其中ip為電感電流峰值，根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)峰值電流為：

在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間[ton,T]內(nèi)，滿足如下關(guān)系式：

由圖（2）可知，電感平均電流iav滿足如下關(guān)系式：

由式（5）可知，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間ton保持不變，通過(guò)改變關(guān)斷時(shí)間的方式，輸入電流與輸入電壓成線性關(guān)系，保證了輸入電壓同相位，也就實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的（如圖3所示）。

1.2 準(zhǔn)諧振反激變換器工作原理分析

圖4 準(zhǔn)諧振反激變換器主電路結(jié)構(gòu)

圖5 準(zhǔn)諧振反激變換器典型波形

DC/DC部分采用單管反激拓?fù)洌ㄈ鐖D4所示），工作于準(zhǔn)諧振模式。當(dāng)副邊二極管電流過(guò)零時(shí)，開(kāi)關(guān)管漏級(jí)與源級(jí)電壓（uds1）開(kāi)始以原邊電感和MOSFET寄生電容之間的諧振頻率振蕩，當(dāng)uds1達(dá)到最低值時(shí)（如圖5所示），通過(guò)使MOSFET導(dǎo)通便可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)，降低了MOSFET的開(kāi)通損耗。

2.部分關(guān)鍵元器件設(shè)計(jì)

本案例設(shè)計(jì)的60WLED驅(qū)動(dòng)指標(biāo)如下：

輸入電壓范圍：90～260V（40～60Hz）

DC/DC直流輸出：48V/1.3A

PFC最小工作開(kāi)關(guān)頻率：58 KHz

PFC功率因數(shù)：PF≥0.95

電流諧波畸變率：THDI≤5%

DC/DC最小工作開(kāi)關(guān)頻率：52KHz

整機(jī)最大效率：≥90%

2.1 升壓電感設(shè)計(jì)

由式(2)(3)可知：

根據(jù)輸入功率等于輸出功率，設(shè)PFC部分的轉(zhuǎn)換效率為η，則：

將式(7)帶入式(6)，可得最低開(kāi)關(guān)頻率為：

由式(8)可推知：

2.2 變壓器設(shè)計(jì)

選擇700V的MOSFET，反激變換器輸入電壓Uo=400V，反射電為漏感尖峰電壓。考慮EMI和變壓器尺寸的影響，最小工作頻率f=52kHz，下降時(shí)間為0.8us。

初級(jí)感量為：

最大峰值電流：

初級(jí)最小匝數(shù)：

根據(jù)實(shí)際調(diào)試結(jié)果，原邊取72匝，次級(jí)匝數(shù)取12匝。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本案例需搭建60W樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用FAN6921作為控制芯片，設(shè)計(jì)了一臺(tái)48V/1.3A輸出的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，PFC部分600V的MOSFET，型號(hào)為T(mén)K10A60D。反激部分采用700V的MOSFET，型號(hào)為STP10NK70ZFP。

圖6(a)為110V交流電壓輸入且?guī)M載情況下，交流輸入電壓和電流波形實(shí)驗(yàn)波形，由圖可見(jiàn)滿載時(shí)電流畸變率僅為4.1%。由圖6(b)可見(jiàn)，輸入電流跟隨輸入電壓，功率因數(shù)達(dá)到0.993。

圖7(a)為220V交流電壓輸入且?guī)M載情況下，交流輸入電壓、電流波形和PFC輸出直流電壓實(shí)驗(yàn)波形，由圖可見(jiàn)，前級(jí)AC/DC輸出電壓為400V。圖7(b)為220V交流電壓輸入且?guī)M載情況下，交流輸入電壓、電流波形和反激變換器輸出直流電壓實(shí)驗(yàn)波形，由圖可知，輸出電壓穩(wěn)定在48V。

圖6 1 1 0 V交流輸入時(shí)電壓和電流實(shí)驗(yàn)波形

圖7 2 2 0 V交流輸入時(shí)電壓和電流實(shí)驗(yàn)波形

4.結(jié)論

通過(guò)工程案例教學(xué)方式，培養(yǎng)了學(xué)生的興趣，鍛煉了學(xué)生解決實(shí)踐技術(shù)問(wèn)題的能力，增強(qiáng)了對(duì)本專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)也提高了學(xué)生的專業(yè)技術(shù)能力。如何選擇更具典型的工程案例來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，仍需更深入的探索。將工程案例引入到“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中，提高了教學(xué)質(zhì)量，是對(duì)“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)方法的一種有意義的探索。

[1]黃俊,王兆安．電力電子技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000．

[2]李鵬飛,工程案例在“電力電子技術(shù)”課堂教學(xué)中的應(yīng)用探索[J]．中國(guó)電力教育，2011(5)：101-102．

[3]劉少克．“電力電子技術(shù)”課堂的案例式教學(xué)[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2014(6)：56-58．

[4]王曉剛．基于案例教學(xué)法的“電力電子技術(shù)”教學(xué)改革[J]．中國(guó)電力教育,2013(2)：77-78．

廣東省公益研究與能力建設(shè)專項(xiàng)（2015A010106018），廣東省教育廳優(yōu)秀青年教師項(xiàng)目（YQ2015156）。

張志（1981-），男，湖南華容人，博士后，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b置系統(tǒng)及其控制。