創(chuàng)設問題環(huán)境下的諧振型電路教學方案設計

周玉斐

摘要：本文以課題為載體，設計基于諧振型電路的設計性、綜合性、創(chuàng)新性實驗。以課題為載體，為學生創(chuàng)建能夠激發(fā)學習興趣的環(huán)境，隨之引入教學內(nèi)容，加深對基本概念、基本原理的理解，實現(xiàn)系統(tǒng)的實驗理論、方法和技能的培養(yǎng)，從而建立理論結合實踐的優(yōu)良教學環(huán)境。

關鍵詞：電路教學；諧振型電路；實驗裝置；課程設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）02-0187-02

一、前言

國務院《關于深化教育改革全面推進素質(zhì)教育的決定》中明確指出：“實行素質(zhì)教育要以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力為重點”，“高等教育要重視培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)能力”，并要求“加強課程的綜合性和實踐性，重視實驗課教學，培養(yǎng)學生的實際操作能力”。電路實驗課程能有效連接電路理論和工程實踐，培養(yǎng)學生掌握科學的實驗方法，提高動手能力[1-4]。傳統(tǒng)實驗教學過于強調(diào)接受學習、機械學習、死記硬背，忽視了學生通過什么樣的方法和策略來學習，一知半解、死記硬背，掩蓋了學生學習中存在的問題，致使學生的學習缺陷、知識缺陷暴露在以后的就業(yè)和工作中。主要表現(xiàn)如下：（1）傳統(tǒng)的試驗箱設計使學生對元器件封裝和參數(shù)等一無所知，通過裸露的插孔完成實驗，無法參與實驗調(diào)試和故障排除。（2）實驗箱中電路模塊不可調(diào)，只能按已有模塊進行實驗。這些都遏制了學生的創(chuàng)新和工程實踐能力的發(fā)展。

本文針對教學改革中如何將教學和實踐有效結合，以及如何實現(xiàn)實驗型教學的靈活、有效的操作程序等關鍵問題，開展基于創(chuàng)設問題的諧振型電路的設計性、綜合性、創(chuàng)新性實驗研究和建設，進行關于相關實驗教學方法的設計和具體實施。本文介紹諧振型電路教學實驗裝置設計、實驗平臺及相關實驗課程設置。通過巧妙構思和靈活設置，使學生理解并熟悉諧振型電路的工作原理和相關技術，提高本專業(yè)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合應用能力。

二、教學實驗裝置系統(tǒng)設計

諧振型電路的結構如圖1所示。交流方波電壓或電流加在諧振網(wǎng)絡兩端，產(chǎn)生高頻諧振，諧振電壓或電流經(jīng)過整流和濾波后，轉(zhuǎn)變成直流電壓或電流，從而實現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換。

設計的諧振型電路模塊是具有同步整流電路的半橋LLC諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器，其電氣參數(shù)如下：

1.輸入電壓：Vin=375-405VDC

2.額定輸出功率：Po=300W

3.輸出電壓：Vo=12VDC

4.額定輸出電流：25A

5.輸出電壓負載穩(wěn)壓：≤1%

6.輸出電壓峰值至峰值紋波：≤120mV

7.效率：>90%

8.開關頻率：fs=80kHz-150kHz

9.諧振頻率：fr=130kHz

設計框圖如圖2所示。

電路按功能分成不同區(qū)塊的功能組，可以實現(xiàn)每次一個部分的單獨調(diào)試和測試。所有脈寬調(diào)制（PWM）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）信號已經(jīng)設計了指定的測試點。

區(qū)塊1：主板區(qū)——包含具有同步整流的隔離諧振LLC DC/DC功率電路、控制板插槽、電源接頭等。

區(qū)塊2：輔助電源區(qū)——包含12V DC電源、一個外部DC電源生成12V—15V，5V和3.3V DC電源。

區(qū)塊3：通信接口區(qū)——包含通過USB提供到主機的板載隔離JTAG連接并提供隔離SCI（UART）通信。

三、實驗科目設計

該諧振型變換器模塊教學實驗裝置充分采用模塊化設計思想與組件架構原則。測試板部分作為母板，主功率電路和輔助電源等均設計為獨立電路模塊，既可分開單獨調(diào)試，設計實驗環(huán)節(jié)；也可進行多種組合，完成綜合性功能實驗。以下為構建的實驗示例。

構建1：用于檢查DC/DC級功能性的開環(huán)運行。構建的目標如下：（1）驗證PWM和ADC信號運轉(zhuǎn)正常；（2）驗證電路板上的功率級運轉(zhuǎn)正常；（3）手動控制電路板上功率級的周期（頻率的倒數(shù)），并且評估其輸出。

構建2：DC/DC級的閉環(huán)運行。構建的目標為使用PID控制來調(diào)節(jié)具有閉環(huán)反饋的輸出電壓。

構建3：模擬比較器被啟用時的DC/DC級閉環(huán)運行。構建的目標為使用模擬比較器根據(jù)同步整流電流電平來動態(tài)地調(diào)整同步整流PWM關閉時序。

通過設置程序中的變量即可控制和監(jiān)視支持同步整流的半橋LLC諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器。

實驗科目的設置遵循先易后難、先局部后整體，使學生能夠循序漸進地鍛煉。各實驗均給出清晰的原理說明，統(tǒng)一的指標要求與檢驗標準，不限定解決辦法，鼓勵不同的解決思路，充分發(fā)揮學生的主觀能動性與創(chuàng)造性。實驗既有基礎部分也有提高部分，既顧及學生的平均水平，達到普遍鍛煉的目的，也充分調(diào)動了能力突出學生的積極性，具有一定的挑戰(zhàn)性。

參照以上實驗科目設計原則，我們制訂了適合本實驗裝置的實驗指導。首先安排一個簡單的器件性能測試，旨在熟悉有源器件和無源器件的工作特點和封裝、了解開關器件驅(qū)動的設置方法。其次進行DC/DC級功能性的開環(huán)運行測試，主要是PWM和ADC的測試和調(diào)試，包括邏輯控制電路、調(diào)制電流控制電路和手動調(diào)試功率級的周期。最后為DC/DC級的閉環(huán)運行測試，包括使用PID控制來調(diào)節(jié)具有閉環(huán)反饋的輸出電壓等。各實驗的指導手冊均包括預習知識、實驗目的、實驗介紹、實驗條件、基礎部分、提高部分、測試表格和實驗記錄等。

四、總結

功率開關變換系統(tǒng)是一門理論與實踐緊密結合的課程。我們設計了一套針對具體應用背景的諧振型電路教學實驗裝置，并將裝置按照實驗需要分區(qū)塊設計，并設計不同層次的實驗科目，能夠鍛煉學生的實踐動手能力、創(chuàng)新品質(zhì)、綜合運用能力等，鼓勵學生發(fā)揮自己的主觀能動性與創(chuàng)造性來解決問題。

參考文獻：

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Abstract：In this paper，we design a comprehensive and innovative experiment based on resonant circuit.Taking the subject as the carrier，creating an environment that can stimulate the students' interest in learning，then introducing the teaching content，deepening the understanding of the basic concepts and principles，realizing the cultivation of systematic experimental theory，methods and skills.In order to establish a good teaching environment combining theory with practice.

Key words：circuit teaching；resonant circuit；experimental device；course design