基于行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的高職《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)改革研究

包爾恒

一、概述

電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展起來的一門嶄新技術(shù)，其核心是對(duì)電能進(jìn)行變換及控制，是通過靜止的手段對(duì)電能進(jìn)行有效的變換、控制和調(diào)節(jié)，從而把可利用的輸入電能形式變成所希望的輸出電能形式的技術(shù)，分為交流-直流變換、直流-直流變換、直流-交流變換及交流-交流變換四類電能變換類型。

在我國(guó)的學(xué)科分類中，電氣工程是一個(gè)一級(jí)學(xué)科，它包含了五個(gè)二級(jí)學(xué)科，即電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、電機(jī)與電器、高電壓與絕緣技術(shù)、電力電子與電力傳動(dòng)、電工理論與新技術(shù)。電力電子與電力傳動(dòng)是研究生教育階段的一個(gè)專業(yè)方向，而電力電子技術(shù)課程是本科及高職高專電氣工程或電氣自動(dòng)化專業(yè)的必修課程。

電力電子技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、新能源利用及家電產(chǎn)品等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，諸如變頻器、開關(guān)電源（手機(jī)和手提電腦充電器、LED照明驅(qū)動(dòng)電源、電動(dòng)汽車充電樁等）、不間斷電源UPS、太陽能及風(fēng)能發(fā)電、有源功率因數(shù)校正、高壓直流輸電、電力有源濾波等都是電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。在當(dāng)前各個(gè)國(guó)家倡導(dǎo)的綠色能源、節(jié)能及環(huán)境污染治理等環(huán)節(jié)中，電力電子技術(shù)是重要的技術(shù)手段。

電力電子技術(shù)作為一個(gè)學(xué)科僅有半個(gè)世紀(jì)的歷史，但由于它對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有明顯作用，受到國(guó)內(nèi)外的普遍重視，因而發(fā)展相當(dāng)迅速，以致目前所用的技術(shù)，無論在功率器件、電路拓?fù)?、控制方法和系統(tǒng)性能等方面均與早期有明顯差別，部分器件及電路拓?fù)湟阎饾u退出歷史舞臺(tái)。

基于行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)及當(dāng)前嚴(yán)重滯后的電力電子技術(shù)教材內(nèi)容現(xiàn)狀，結(jié)合目前電力電子電路的工程研究分析方法，及時(shí)對(duì)現(xiàn)有電力電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法進(jìn)行革新有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，是一項(xiàng)必要和迫切的任務(wù)。

二、電力電子技術(shù)行業(yè)發(fā)展及教材現(xiàn)狀分析

1.電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀

晶閘管（SCR）是一種半控型器件，其基本特點(diǎn)是開關(guān)容量大，技術(shù)成熟且價(jià)廉，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開關(guān)頻率不高，功率密度和整機(jī)效率仍然偏低。電力晶體管（GTR）的應(yīng)用，使電力電子電路由半控型轉(zhuǎn)為全控型，并在不同程度上克服了SCR電路存在的缺點(diǎn)，因而在中小功率領(lǐng)域中出現(xiàn)了GTR電路取代SCR電路的局面。和功率MOSFET相比，GTR具有導(dǎo)通內(nèi)阻低和阻斷電壓高的優(yōu)點(diǎn)，但其輸入特性卻遠(yuǎn)遜于前者，因?yàn)镚TR是一種電流控制型器件，其開通增益僅為5～10，這對(duì)大功率器件控制電路的制作工藝和電能消耗都是沉重的負(fù)擔(dān)。此外，為降低噪聲，現(xiàn)代電源要求器件以超音頻工作，但在硬開關(guān)環(huán)境中，GTR的典型開關(guān)頻率僅為5kHz，這顯然無法滿足上述要求;與此相反，MOSFET是一種電壓控制型器件，控制功率極低;它同時(shí)又是一種高頻器件，完全能在超音頻硬開關(guān)環(huán)境中工作，但其輸出特性卻不如GTR。由此看來，GTR和功率MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)具有明顯的互補(bǔ)性，因此希望研制一種新型器件，其輸入特性和開關(guān)特性與MOSFET相似;而輸出特性和開關(guān)容量則與GTR相似，這種器件就是IGBT，實(shí)際上它是一種用MOS柵控制的晶體管。由于IGBT具有GTR和功率MOSFET都無法具備的性能，在短短幾年間，IGBT就完全占據(jù)了原先GTR的應(yīng)用領(lǐng)域并使電力電子技術(shù)進(jìn)入到超音頻時(shí)代。

在高壓大功率領(lǐng)域，門極可關(guān)斷晶閘管GTO的成功應(yīng)用，使該領(lǐng)域的變流電流省去復(fù)雜的陽極關(guān)斷電路（換流電路）。但GTO存在關(guān)斷不均勻，易因局部過熱而失效;此外GTO也是一種電流控制型器件，其關(guān)斷增益僅為3～5，需要復(fù)雜而昂貴的驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路。由于這些弱點(diǎn)，限制了GTO的廣泛應(yīng)用。當(dāng)初人們?cè)南Ｍ贛OS門控晶閘管（MCT），但經(jīng)歷了17年的研制和生產(chǎn)后不得不宣告終止，足令人扼腕。

在高壓大功率全控型器件中，集成門極換流晶閘管（IGCT）是一種將門極驅(qū)動(dòng)電路與芯片集成封裝的門極換流晶閘管（GCT），其表現(xiàn)很引人關(guān)注。它是在GTO和IGBT的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，又能克服兩者的缺點(diǎn)。以成本為例說明，本來GTO芯片很便宜，但因外圍電路結(jié)構(gòu)昂貴，使組件的總體成本明顯升高;相反，雖然IGBT外圍電路很簡(jiǎn)單，但芯片成本太高;IGCT是以GTO芯片為基礎(chǔ)，但可省區(qū)關(guān)斷緩沖電路，因而器件的總成本最低。

目前GTO已失去其原先占有的4.5KV以下的國(guó)際市場(chǎng)，并由IGCT和IGBT取而代之。由于這兩種器件正處于發(fā)展階段，可以預(yù)計(jì)，高于4.5kv的GTO市場(chǎng)也將受到它們的挑戰(zhàn)。

目前，隨著半導(dǎo)體材料和生產(chǎn)工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了高耐壓等級(jí)、高通流能力和低導(dǎo)通電阻的全控型器件MOSFET和IGBT，電力電子裝置中基本都是使用這兩類器件，其在很多領(lǐng)域已經(jīng)取代了電力晶體管和晶閘管，從而使得這兩類器件在很多領(lǐng)域已經(jīng)退出歷史舞臺(tái);同時(shí)，反向恢復(fù)性能優(yōu)越的碳化硅二極管的出現(xiàn)，解決了功率二極管的反向恢復(fù)問題，大大減小了反向恢復(fù)帶來的電磁干擾和二極管的功率損耗，近年得到了廣泛的使用。

2.功率電路拓?fù)涞陌l(fā)展現(xiàn)狀

從電力電子功率電路拓?fù)涞陌l(fā)展層面看，在原有電路拓?fù)涞幕A(chǔ)上，近年研究較多的無橋功率因數(shù)校正技術(shù)（無橋PFC）已經(jīng)成熟并實(shí)用化，大大提高了PFC電路的變換效率;另一個(gè)是軟開關(guān)技術(shù)和實(shí)用電路的研究和發(fā)展，最具代表性的就是LLC諧振變換器，其優(yōu)越的軟開關(guān)性能大大提高了DC-DC變換電路的變換效率，成為目前最流行的DC-DC變換電路拓?fù)?，LLC變換器的研究和實(shí)用化，大大提高了開關(guān)變換器的開關(guān)頻率，從而為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效率、高功率密度（小型化）和低電磁干擾創(chuàng)造了條件;另一個(gè)近年研究并實(shí)用化的技術(shù)是PWM整流技術(shù)，其既能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)又能實(shí)現(xiàn)雙向功率傳遞的功能，使其得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

3.電力電子技術(shù)的教材現(xiàn)狀

基于對(duì)目前已有電力電子技術(shù)教材的調(diào)查，主要弊端在于下述幾個(gè)方面：

（1）基本都是仍停留在講述20年以前的電力電子技術(shù)，已經(jīng)或者即將淘汰的器件和電路拓?fù)溥€占有教材篇幅的很大比例，大部分教材還是以晶閘管電路為主，基本占據(jù)了教材50%以上的內(nèi)容，而目前行業(yè)廣泛使用的器件和電路拓?fù)錄]有涉及或涉及詳細(xì)程度不足，新器件新電路沒有提及。

（2）所講述的電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路和控制保護(hù)電路為理論上可行，但從成本、復(fù)雜性和可靠性方面考慮并不是行業(yè)廣泛使用的實(shí)用化電路。

（3）沒有設(shè)置關(guān)于電力電子磁性器件的章節(jié)，以致學(xué)生對(duì)從事電力電子產(chǎn)品研發(fā)、維護(hù)及售后服務(wù)工作時(shí)缺乏對(duì)電力電子裝置整體的認(rèn)識(shí)和理解。

（4）對(duì)電力電子裝置閉環(huán)控制技術(shù)環(huán)節(jié)并未涉及或涉及甚少，同樣造成學(xué)生對(duì)電力電子裝置的整體工作原理掌握和理解困難。

（5）電力電子技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例選題不具有行業(yè)發(fā)展的代表性。

三、基于行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的教學(xué)改革思路及建議

總體講，結(jié)合電力電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀并兼顧高職高專學(xué)生的可接受性，做到“新”“實(shí)用”和“適用”三大特點(diǎn)。具體來講：

1.基于行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)的電力電子器件及功率變換拓?fù)?/p>

不再涉及已經(jīng)退出歷史舞臺(tái)的電力晶體管，弱化使用范圍日益縮小的晶閘管內(nèi)容篇幅，突出目前最為廣泛使用的高性能IGBT和MOSFET內(nèi)容，引入新型器件碳化硅二極管;在電力電子器件參數(shù)方面，強(qiáng)化行業(yè)實(shí)際使用過程中需重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵參數(shù)。

關(guān)于電力電子功率變換電路拓?fù)洌饕ㄒ韵聨讉€(gè)方面：

直流-直流變換電路增加高可靠性雙管正激電路拓?fù)洹?/p>

逆變電路部分弱化實(shí)際較少使用的方波逆變內(nèi)容，重點(diǎn)突出基于PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制技術(shù)的正弦波逆變電路。

整流電路考慮目前行業(yè)實(shí)際使用現(xiàn)狀，在陳述基于晶閘管的相控整流基本原理的基礎(chǔ)上，只保留單相橋式、三相橋式全控整流和有源逆變的內(nèi)容，增加電力電子技術(shù)中關(guān)于功率因數(shù)的定義，加強(qiáng)基于Boost電路的單相功率因數(shù)校正電路的原理分析、常見控制芯片的介紹，并重點(diǎn)引入和加強(qiáng)目前關(guān)注和應(yīng)用的熱點(diǎn)：PWM整流技術(shù)及其基本原理分析。

關(guān)于交流-交流變換，傳統(tǒng)的相控式晶閘管電路正逐漸被PWM+IGBT電路所取代，改革重點(diǎn)是弱化相控交流調(diào)壓，取而代之以斬控式交流調(diào)壓電路及控制原理。

關(guān)于軟開關(guān)技術(shù)，去除理論上可行但實(shí)際上由于成本、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性及可靠性等因素很少使用的非實(shí)用化軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)手段，主要介紹目前廣泛使用的零電壓開通和零電流關(guān)斷軟開關(guān)技術(shù)，不再以大多教材介紹的移相全橋ZVS軟開關(guān)電路為例（也可保留），重點(diǎn)以目前最為流行的LLC諧振變換器為例說明軟開關(guān)技術(shù)的具體應(yīng)用。

2.基于低成本、高可靠性的實(shí)用化電力電子功能控制電路、新型控制芯片及控制方案

在電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路及控制電路方面，引入行業(yè)廣泛使用的低成本實(shí)用化電路及新型控制芯片，去除理論上可行而從成本和可靠性等方面來講非實(shí)用或不可行的電路方案及已經(jīng)退出歷史舞力臺(tái)的集成控制芯片。

3.結(jié)合應(yīng)用廣泛性、新能源利用及節(jié)能技術(shù)的電力電子技術(shù)應(yīng)用

在電力電子技術(shù)應(yīng)用實(shí)例方面，從日常生活等方面來講，應(yīng)用最為廣泛的是高頻開關(guān)電源，如手機(jī)充電器、電視機(jī)和電腦電源、電動(dòng)汽車充電樁充電模塊等，其涉及的電力電子技術(shù)內(nèi)容包括各種直流-直流變換電路拓?fù)浼坝性垂β室驍?shù)校正和同步整流技術(shù)等。近年來，太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電等新能源利用技術(shù)發(fā)展迅速，其對(duì)應(yīng)的電力電子電路拓?fù)渲饕悄孀兗夹g(shù)，逆變技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)該突出這方面的應(yīng)用。對(duì)于交流-交流變換技術(shù)的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在工業(yè)廣泛使用的變頻器及不間斷電源UPS等，應(yīng)該加強(qiáng)這兩種裝置的結(jié)構(gòu)組成及原理介紹。

4.增加電力電子裝置閉環(huán)控制和磁性元件理論及設(shè)計(jì)內(nèi)容

對(duì)于高職高專學(xué)生來講，由于自動(dòng)控制原理基于扎實(shí)的數(shù)學(xué)知識(shí)，一直是高職高專學(xué)生難以掌握的痛點(diǎn);對(duì)應(yīng)于電力電子技術(shù)，基于自動(dòng)控制原理的電力電子裝置閉環(huán)控制理論是學(xué)生理解的難點(diǎn)，基于工程實(shí)踐，應(yīng)加強(qiáng)工程上廣泛使用的頻域分析法及PID參數(shù)對(duì)電力電子裝置輸出性能的影響等方面的內(nèi)容。

磁性元件是電力電子功率電路常見的元件，主要是作為隔離和電壓變換的變壓器、儲(chǔ)能和濾波電感，只有掌握磁性元件的特性、原理及設(shè)計(jì)計(jì)算方法，才能從整體上理解、分析和設(shè)計(jì)電力電子功率電路參數(shù)。從電力電子裝置的整體性出發(fā)，應(yīng)增加并將學(xué)生易理解和接受的電力電子磁性元件理論及設(shè)計(jì)章節(jié)寫進(jìn)教材。

5.基于仿真和校企合作模式的實(shí)踐教學(xué)改革

電力電子電路的分析，尤其是電力電子電路參數(shù)對(duì)電路性能的影響單純從理論方面分析有一定的難度。工程分析及設(shè)計(jì)計(jì)算通常是結(jié)合仿真技術(shù)，用于分析電路寄生參數(shù)等對(duì)電路的影響;基于電力電子技術(shù)的工程實(shí)用研究和分析方法，引入結(jié)合MATLAB Simulink仿真的教學(xué)方法對(duì)電路的電量波形分析有一定的幫助并能加深學(xué)生對(duì)電路的理解。另外，有條件的學(xué)校可以加強(qiáng)與電力電子行業(yè)企業(yè)的校企合作，進(jìn)一步完善實(shí)踐教學(xué)手段。

四、結(jié)論

在當(dāng)前各個(gè)國(guó)家推崇的新能源利用及節(jié)能倡議等環(huán)境下，電力電子技術(shù)在高職高專電氣自動(dòng)化專業(yè)課程中占有非常重要的地位，如何結(jié)合行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)緊跟行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀并學(xué)以致用有著非常重要的意義。本文在分析電力電子發(fā)展現(xiàn)狀和目前教材及教學(xué)存在的問題，提出了改革思路和建議，對(duì)高職高專和本科階段的電力電子技術(shù)教學(xué)有一定的借鑒和參考意義。

責(zé)任編輯 何麗華