“Buck斬波電路”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

史敬灼

(河南科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

作為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。課程實(shí)驗(yàn)是“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)的一部分，適應(yīng)于新工科人才培養(yǎng)要求和不斷升級(jí)的產(chǎn)業(yè)人才需求。“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)目標(biāo)不僅是驗(yàn)證課堂所學(xué)、掌握電力電子技術(shù)領(lǐng)域的基本實(shí)踐技能，更要培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，更加注重學(xué)思踐結(jié)合、知行統(tǒng)一，切實(shí)增強(qiáng)學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決電力電子工程問(wèn)題的實(shí)踐能力[1～3]。

為了提高實(shí)踐能力培養(yǎng)效能，更好地實(shí)現(xiàn)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，本文對(duì)“電力電子技術(shù)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，并在自制的實(shí)驗(yàn)電路中設(shè)置與課程知識(shí)及能力培養(yǎng)目標(biāo)相契合的“陷阱”，取得良好效果。本文以“Buck斬波電路”實(shí)驗(yàn)為例，說(shuō)明具體做法。

1 如何支撐實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的達(dá)成

為支撐“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的切實(shí)達(dá)成，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容及教學(xué)過(guò)程進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)。

首先，采用教師設(shè)計(jì)的“Buck斬波電路”作為實(shí)驗(yàn)裝置。一方面，學(xué)生實(shí)驗(yàn)從使用恒溫電烙鐵在電路板上手焊電子元件開始，隨后完成自己手焊電路板的實(shí)驗(yàn)調(diào)試。另一方面，自編實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，大幅度擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)部分的內(nèi)容，給出實(shí)驗(yàn)電路原理圖，細(xì)致講解電路工作原理和信號(hào)流程，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，逐漸領(lǐng)悟?qū)⒗碚撝R(shí)變?yōu)閷?shí)際電路的具體方法和可行途徑。

其次，為培養(yǎng)學(xué)生善于解決電力電子技術(shù)領(lǐng)域工程問(wèn)題的實(shí)踐能力，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中關(guān)注細(xì)節(jié)，不放過(guò)問(wèn)題，深入思考，并用自主實(shí)驗(yàn)來(lái)輔助思考或驗(yàn)證所思所想。但是從學(xué)生的角度來(lái)看，多數(shù)學(xué)生雖然想去這樣做，但并不知道應(yīng)該去關(guān)注什么、思考什么。為解決這一問(wèn)題，需要對(duì)課程的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，也需要設(shè)計(jì)引導(dǎo)性的實(shí)驗(yàn)步驟和選做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，甚至是故意設(shè)置“陷阱”，為學(xué)生提供可關(guān)注、可思考的對(duì)象，逐步教會(huì)學(xué)生如何關(guān)注細(xì)節(jié)、如何通過(guò)學(xué)思踐深度融合來(lái)解決工程問(wèn)題。下面，以“Buck斬波電路”實(shí)驗(yàn)為例說(shuō)明具體做法。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)融為一體

實(shí)驗(yàn)所用主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。與教材所述Buck斬波電路不同的是，圖1所示電路增加了與負(fù)載并聯(lián)的電容器C，與電感L構(gòu)成LC濾波器，使實(shí)驗(yàn)電路更加貼近實(shí)際應(yīng)用的Buck斬波電路[4]。實(shí)驗(yàn)中，直流電源電壓取為12 V，開關(guān)器件V、D分別選用功率MOSFET和肖特基二極管。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用主電路結(jié)構(gòu)

電感電流連續(xù)、斷續(xù)工作模式，是Buck斬波電路課堂教學(xué)的主要內(nèi)容，一般希望電路工作在電感電流連續(xù)模式，并以此作為確定電感值的依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)20 Ω/50 W電阻、R31ZY永磁直流電動(dòng)機(jī)兩種負(fù)載，要求學(xué)生將圖1所示主電路中的電感器L分別取為100 μH和330 μH電感，觀察、分析電感電流及二極管陰極電壓、負(fù)載電壓、PWM控制信號(hào)的波形，并根據(jù)所測(cè)波形分析主電路工作模式及電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)、工作過(guò)程。使用100 μH電感，學(xué)生可以明顯地觀察到電感電流斷續(xù)情況。換為330 μH電感，則可使電路工作在電感電流連續(xù)模式。

作為上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的延伸思考，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)電感值以使電路工作于電感電流連續(xù)模式？對(duì)于圖1所示主電路結(jié)構(gòu)，教材并未給出相關(guān)論述[4]。為解決這一問(wèn)題，任課教師安排了一次大作業(yè)。布置作業(yè)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)如圖2所示。作為課程過(guò)程考核中的一個(gè)環(huán)節(jié)，這次大作業(yè)在課程總評(píng)成績(jī)中占5+1分(百分制)。

圖2 課堂、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

這次大作業(yè)要求學(xué)生研習(xí)一份英文資料，并在研習(xí)之后完成下列題目：

圖1所示Buck斬波電路，輸入DC電源電壓E=12 V，負(fù)載為20 Ω電阻，PWM斬波頻率fs為60 kHz，占空比D在(0%,100%]范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。求：

(1)使電路能夠工作于“電流連續(xù)工作模式”(指電感電流連續(xù))的電感L值；(2分)

(2)在(1)問(wèn)基礎(chǔ)上，若要求輸出電壓的波動(dòng)量不大于0.1 V，求電容C值；(1分)

(3)若取電感L值為100 uH，當(dāng)占空比在什么范圍內(nèi)變化時(shí)，電路可工作于“電流連續(xù)工作模式”？(2分)

(4)【選做】更換負(fù)載為實(shí)驗(yàn)中使用的R31ZY永磁直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行，重復(fù)(1)、(3)問(wèn)。(加1分)

上述英文資料分析了圖1所示主電路的工作原理，給出了電路參數(shù)設(shè)計(jì)的原則和計(jì)算公式。題目與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直接對(duì)應(yīng)，給出的所有參數(shù)均為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的實(shí)際參數(shù)值。根據(jù)英文資料，滿足下式時(shí)，電路工作于電流連續(xù)工作模式

(1)

式中，Ts為PWM斬波周期，頻率fs的倒數(shù)。將輸出電壓平均值Uo=DE及IL=Uo/R=Uo/20代入上式，可得

(2)

代入數(shù)據(jù)，取D=0，得使電路工作于電感電流連續(xù)工作模式的電感L值

L≥166.7μH

同樣根據(jù)英文資料及題目給出的數(shù)據(jù)，可得如下輸出電壓波動(dòng)量Δuo關(guān)系式

(3)

式中，(1-D)D項(xiàng)在D=0.5時(shí)取為極大值，對(duì)應(yīng)于輸出電壓波動(dòng)量的極大值。將D=0.5及已知參數(shù)值代入上式，可得截止頻率fc≤4.93kHz。取L=166.7 μH，可得

C≤6.25μF

實(shí)際上，考慮到電容器等效電阻等分布參數(shù)的存在，電容器的容值都會(huì)遠(yuǎn)大于上述計(jì)算值。

問(wèn)(3)設(shè)定L值，求使式(2)成立的D。由式(2)可得

(4)

代入數(shù)據(jù)，可得使電路工作于電感電流連續(xù)工作模式的D值

D≥0.4

可以看出，英文資料的內(nèi)容有助于幫助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)、理解實(shí)測(cè)波形，題目解答則可直接用于實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)電路中的“陷阱”

實(shí)驗(yàn)電路中選用光耦芯片HCPL3140構(gòu)成主電路中MOSFET的隔離驅(qū)動(dòng)單元，如圖3電路原理圖中的芯片U2。U2輸入側(cè)的2腳通過(guò)電阻R11與PWM信號(hào)發(fā)生芯片U1(TL494)的輸出9/10引腳相連。實(shí)測(cè)U2-2腳波形，如圖4所示，波形下降沿存在明顯的拖尾現(xiàn)象。

這一現(xiàn)象不影響實(shí)驗(yàn)電路基本功能的實(shí)現(xiàn)，但卻是一個(gè)值得思考的細(xì)節(jié)。為引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注這一現(xiàn)象并思考其緣由，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中設(shè)置了如下選做內(nèi)容：

【選做】實(shí)驗(yàn)中，可以觀察到U2-2腳信號(hào)下降沿波形有明顯的“拖尾”現(xiàn)象。觀察U1-9腳信號(hào)波形，亦可看到類似現(xiàn)象。同學(xué)們可以結(jié)合U1、U2兩芯片的說(shuō)明書，考慮上述現(xiàn)象的原因。另外，可將實(shí)驗(yàn)電路中R10更換為2 kΩ、R11更換為1 kΩ，再測(cè)U2-2腳、U1-9腳信號(hào)波形。

圖3 隔離驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖4 U2-2腳電壓波形(實(shí)測(cè))

芯片HCPL3140、TL494的說(shuō)明書表明，U2-2腳和3腳之間為一發(fā)光二級(jí)管，且2腳為二極管陽(yáng)極；U1輸出級(jí)為OC(集電極開路)、OE(發(fā)射極開路)的晶體管。考慮這些芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及圖3所示芯片外部連接關(guān)系，可得圖5所示等效電路，U1輸出級(jí)晶體管飽和導(dǎo)通時(shí)，U2內(nèi)發(fā)光二極管導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)于圖4所示波形的高電平區(qū)域；當(dāng)U1輸出級(jí)晶體管由飽和導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，U1-9腳電位降低，導(dǎo)致U2內(nèi)發(fā)光二極管退出導(dǎo)通狀態(tài)，開始關(guān)斷，對(duì)應(yīng)圖4所示波形的下降沿。按照“電力電子技術(shù)”課程講授的知識(shí)，二極管關(guān)斷過(guò)程中，需要流過(guò)反向電流。隨著反向電流的流動(dòng)，內(nèi)部載流子逐漸復(fù)位，二極管才會(huì)關(guān)斷。因?yàn)榇藭r(shí)U1輸出級(jí)晶體管已關(guān)斷，此反向電流只能經(jīng)R11、R10流向地，于是在這兩個(gè)電阻上產(chǎn)生壓降，抬高了U2-2腳電位，導(dǎo)致下降沿拖尾現(xiàn)象。因?yàn)閁1-9腳連接在R11、R10電阻之間，所以U1-9腳電壓波形也存在類似現(xiàn)象，但其電壓變化曲線的幅值低于U2-2腳波形，具體數(shù)值基本符合兩電阻的分壓關(guān)系。

對(duì)上述拖尾現(xiàn)象原因的分析過(guò)程，可以通過(guò)實(shí)測(cè)波形來(lái)輔助。首先，U2-2腳、U1-9腳電壓波形都存在拖尾現(xiàn)象，比較兩個(gè)波形的細(xì)節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，兩者拖尾波形隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致、持續(xù)時(shí)間相同，表明兩個(gè)波形有關(guān)聯(lián)，來(lái)自同一原因的可能性大；比較兩者的幅值，U2-2腳拖尾波形的幅度大于U1-9腳。其次，拆下U2芯片，再測(cè)U1-9腳電壓波形，拖尾現(xiàn)象基本消失，表明U2芯片是導(dǎo)致拖尾現(xiàn)象的主要原因。隨后，可由圖5根據(jù)“電力電子技術(shù)”課程中器件動(dòng)態(tài)過(guò)程知識(shí)來(lái)分析原因。限于篇幅，波形圖不再給出。

圖5 等效電路圖

事實(shí)上，圖3所示電路，是為了培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用課程所學(xué)知識(shí)來(lái)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力而人為設(shè)計(jì)的一個(gè)“陷阱”，該電路的設(shè)計(jì)是不合適的。學(xué)生修改圖3電路如圖6所示，拖尾現(xiàn)象完全消失。

圖6 修改后的隔離驅(qū)動(dòng)電路原理圖

另一方面，在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容中，既要回避深?yuàn)W的半導(dǎo)體物理學(xué)知識(shí)，又要使學(xué)生從應(yīng)用角度了解電力電子器件的工作機(jī)理，使器件的開關(guān)動(dòng)態(tài)過(guò)程成為授課難點(diǎn)，尤其是電力二極管關(guān)斷過(guò)程中流過(guò)反向電流這一關(guān)鍵點(diǎn)不易被學(xué)生理解和接受，且這一反向電流也不便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖4所示波形間接展示了二極管動(dòng)態(tài)開關(guān)過(guò)程中的反向電流，為課堂相關(guān)講授內(nèi)容提供了支撐。

4 能力達(dá)成度的自我評(píng)價(jià)

為將能力培養(yǎng)目標(biāo)具體化、讓學(xué)生知道如何做，參照AACU VALUE Rubrics，針對(duì)專業(yè)特點(diǎn)、學(xué)生狀況和電力電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，制定了“電氣專業(yè)電力電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υu(píng)分規(guī)則表”，給出團(tuán)隊(duì)合作、批判性思維、創(chuàng)新、解決問(wèn)題、溝通(含書面、口頭)等五方面的評(píng)分規(guī)則。每一方面的評(píng)分規(guī)則都劃分為4分、3分、2分、1分等4個(gè)檔次，每檔均給出“如何做”的細(xì)致說(shuō)明。例如，解決問(wèn)題方面的部分評(píng)分規(guī)則如表1所示。

在課程實(shí)驗(yàn)開始前，將上述能力評(píng)分規(guī)則表發(fā)給學(xué)生，并說(shuō)明將按照該規(guī)則來(lái)評(píng)價(jià)每位學(xué)生的能力表現(xiàn)。在全部實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，向?qū)W生發(fā)放“電氣專業(yè)電力電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)評(píng)分卡(匿名)”，請(qǐng)每位學(xué)生給自己所在小組的每位成員評(píng)分。

5 結(jié)語(yǔ)

大力加強(qiáng)專業(yè)實(shí)踐能力培養(yǎng)，注重學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一，增強(qiáng)學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決工程問(wèn)題的實(shí)踐能力，是新工科人才培養(yǎng)的基本要求，也是工程教育的核心內(nèi)容。

本文以“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)“Buck斬波電路”為例，介紹了在提高實(shí)踐能力培養(yǎng)效能方面的一些改革嘗試。設(shè)計(jì)能力評(píng)分規(guī)則表，使學(xué)生知道自己可以怎樣做，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)培養(yǎng)自身能力。在實(shí)驗(yàn)電路中設(shè)計(jì)“陷阱”，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更有針對(duì)性，提高實(shí)驗(yàn)過(guò)程與能力培養(yǎng)目標(biāo)之間的契合度。(史敬灼等文)

對(duì)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，相互支撐，不僅有利于課程教學(xué)目標(biāo)的高效達(dá)成，也可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

實(shí)際應(yīng)用表明，上述改革措施取得較好效果，但還需在實(shí)踐中不斷改進(jìn)。