“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

史敬灼， 張亞楠

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

0 引言

“電力電子技術(shù)”是本科電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門核心課程，其教學(xué)過(guò)程包含課堂教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等主要環(huán)節(jié)。其中，課程實(shí)驗(yàn)對(duì)促進(jìn)課堂講授知識(shí)的深入理解、掌握知識(shí)實(shí)際應(yīng)用技能具有重要作用[1～3]。但在改革前的教學(xué)過(guò)程中，該課程的實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)手操作主要是在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板上接線，而電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)、控制等附屬電路都隱藏在面板之后，學(xué)生無(wú)法觸及、無(wú)法了解，更不可能掌握運(yùn)用所學(xué)電力電子技術(shù)知識(shí)去設(shè)計(jì)實(shí)用電路、從而具備解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

為了更好地發(fā)揮課程實(shí)驗(yàn)在課程教學(xué)中的作用，促使學(xué)生學(xué)會(huì)、會(huì)用，促進(jìn)課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，我院對(duì)課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改革。本文介紹了這一改革的具體做法。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.1 教師自制實(shí)驗(yàn)電路

采用教師設(shè)計(jì)的基本電力電子電路作為實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生實(shí)驗(yàn)從了解電路原理、在電路板上手焊電子元件并一步步調(diào)試電路開始。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生不僅可以親手使用器件、芯片、散熱片，而且可以了解將電力電子技術(shù)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的具體電路形式，直面具體的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，既要達(dá)成課程實(shí)踐教學(xué)能力培養(yǎng)目標(biāo)，又要涵蓋課程知識(shí)的主要方面。本科“電力電子技術(shù)”課程的主要教學(xué)內(nèi)容為四類電力電子變換電路和PWM控制技術(shù)。考慮到實(shí)驗(yàn)安全及現(xiàn)代電力電子技術(shù)應(yīng)用的主流是采用全控型電力電子器件的PWM變換電路，選定下列三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)于電壓型逆變電路、直流斬波電路、SPWM控制技術(shù)等教學(xué)內(nèi)容。

(1)課程實(shí)驗(yàn)一：?jiǎn)蜗嚯妷盒湍孀冸娐贰?/p>

(2)課程實(shí)驗(yàn)二：Buck斬波電路。

(3)課程實(shí)驗(yàn)三：?jiǎn)蜗郤PWM逆變電路。

上述三個(gè)實(shí)驗(yàn)使用的電力電子器件均為Power MOSFET(下文簡(jiǎn)寫為MOSFET)，實(shí)驗(yàn)電路電源電壓為12V或+/-12V。三個(gè)實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)電路，不使用單片機(jī)，盡量使用基本的模擬、數(shù)字集成電路芯片及分立阻容元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使學(xué)生通過(guò)焊接、調(diào)試等實(shí)驗(yàn)過(guò)程，更全面地掌握課程理論知識(shí)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程與細(xì)節(jié)。在課程實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)中，選擇單片機(jī)控制的智能小車為設(shè)計(jì)對(duì)象，力求使學(xué)生掌握以單片機(jī)編程為手段的電力電子技術(shù)數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法[4]。實(shí)驗(yàn)電路中，小功率阻容元件采用表貼封裝，而集成電路芯片全部采用DIP封裝，以適當(dāng)降低對(duì)學(xué)生手焊熟練程度的要求。同時(shí)，設(shè)計(jì)專用于練習(xí)元件焊接的練手電路板，使學(xué)生能夠漸進(jìn)適應(yīng)這種不同以往的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。圖1為學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中焊的電路板照片。

圖1 學(xué)生手焊的實(shí)驗(yàn)電路板照片

1.2 實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)一的內(nèi)容包含單相半橋、單相全橋電壓型逆變電路兩部分，采用180°導(dǎo)電控制方式。實(shí)驗(yàn)電路包括控制信號(hào)發(fā)生、死區(qū)發(fā)生、驅(qū)動(dòng)、主電路等電路單元。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生在按順序完成控制信號(hào)發(fā)生、死區(qū)發(fā)生、驅(qū)動(dòng)電路單元的焊接、調(diào)試之后，先在實(shí)驗(yàn)電路板上完成上、下橋臂各一只MOSFET的焊接，進(jìn)行單相半橋逆變電路實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)中，要求學(xué)生更換直流側(cè)兩串聯(lián)電容的容值，分別取10uF、110uF，測(cè)負(fù)載電壓波形、兩串聯(lián)電容中點(diǎn)電壓波形和負(fù)載電流波形，并分析其差異，考慮電容的作用和取值原則。當(dāng)電容值較小時(shí)，負(fù)載電壓波形有明顯的下傾，要求實(shí)測(cè)下傾幅度是多少；電容中點(diǎn)電壓波形有明顯的周期性波動(dòng)，要求實(shí)測(cè)波動(dòng)幅度是多少。隨后，請(qǐng)學(xué)生思考為什么會(huì)有下傾/波動(dòng)？并要求學(xué)生在電阻負(fù)載、電容取為10uF情況下，用所學(xué)知識(shí)估算電壓下降幅度，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)一步，估算電容取為110uF情況下的電壓下降幅度，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。再進(jìn)一步，對(duì)于實(shí)驗(yàn)電路，若要求20歐姆電阻負(fù)載情況下，負(fù)載電壓下降(波動(dòng))幅度不大于0.1V，請(qǐng)問(wèn)直流側(cè)分壓電容值應(yīng)取為多少uF？

在完成不同負(fù)載情況下的單相半橋?qū)嶒?yàn)之后，拆下直流側(cè)串聯(lián)電容，再焊上另外兩只MOSFET的焊接，進(jìn)行單相全橋逆變電路實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，除焊接、調(diào)試、測(cè)量分析各點(diǎn)波形之外，還要求學(xué)生根據(jù)實(shí)測(cè)負(fù)載電壓波形和實(shí)際的負(fù)載參數(shù)，列寫負(fù)載電路方程，推導(dǎo)負(fù)載電流解析表達(dá)式，估算負(fù)載電流波形形狀及具體數(shù)值，并與實(shí)測(cè)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)步驟中，設(shè)置了選做內(nèi)容，供學(xué)有余力的學(xué)生參考。例如，實(shí)驗(yàn)電路在控制信號(hào)中加入了死區(qū)。于是，實(shí)際施加于MOSFET柵極的控制信號(hào)，高電平持續(xù)電角度略小于180°，與理想的“180°導(dǎo)電控制方式”有了一點(diǎn)差異?？刂菩盘?hào)的這點(diǎn)差異，會(huì)對(duì)負(fù)載電壓波形造成怎樣的影響？電阻、阻感等不同負(fù)載情況下，要求學(xué)生先思考、分析，然后實(shí)測(cè)波形驗(yàn)證自己的分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)二為Buck斬波電路，主電路中MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)需要進(jìn)行電氣隔離，采用HCPL-3140芯片實(shí)現(xiàn)隔離與柵極驅(qū)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)步驟中，要求更換主電路電感值，分別使用100uH、330uH功率電感，考察不同電路參數(shù)情況下的主電路工作過(guò)程，分析電感電流連續(xù)、斷續(xù)情況下的電感電流、電容電流、負(fù)載電流的流向。另外，要求使用實(shí)驗(yàn)一電路板，工作于全橋電路，接直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載，進(jìn)行“橋式可逆斬波電路”實(shí)驗(yàn)；在PWM信號(hào)頻率為10kHz的情況下，調(diào)節(jié)電位器改變占空比，使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，觀察PWM控制信號(hào)、負(fù)載電壓、負(fù)載電流波形，記錄占空比數(shù)據(jù)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。然后，在設(shè)定PWM信號(hào)占空比為70%的情況下，調(diào)節(jié)電位器改變PWM信號(hào)頻率，測(cè)負(fù)載電壓、電流波形，觀察并記錄電動(dòng)機(jī)在較低、較高PWM信號(hào)頻率情況下的運(yùn)行狀態(tài)差異，例如運(yùn)行噪聲、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性等，考慮差異緣由，給出PWM頻率的基本取值原則。

1.4 實(shí)驗(yàn)三

實(shí)驗(yàn)三采用調(diào)制法生成SPWM控制信號(hào)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含單極性、雙極性SPWM逆變兩部分。在實(shí)際的電力電子裝置中，單極性SPWM應(yīng)用較少。但為了讓學(xué)生較為全面地掌握PWM技術(shù)中最基本的概念、方法，保持較為開闊的思路，還是將其納入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)電路包含單相全橋電壓型逆變主電路及驅(qū)動(dòng)、信號(hào)發(fā)生、單極性SPWM控制信號(hào)發(fā)生、雙極性SPWM控制信號(hào)發(fā)生等電路單元。其中，信號(hào)發(fā)生電路用來(lái)產(chǎn)生載波、調(diào)制波模擬信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)三的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，除不同負(fù)載情況下的單極性、雙極性SPWM逆變電路波形、數(shù)據(jù)測(cè)量與分析之外，要求學(xué)生考察調(diào)制度小于1、大于1情況下的負(fù)載電壓、負(fù)載電流波形變化。如有必要，按照實(shí)驗(yàn)參考資料中的“示波器的FFT功能使用方法”，使用示波器FFT功能進(jìn)行頻譜分析。然后，對(duì)照課堂所學(xué)，深入思考限制調(diào)制度不大于1的緣由、直流電壓利用率與調(diào)制度的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)步驟中，還要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)一考察死區(qū)影響的基礎(chǔ)上，對(duì)照教材所述“死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波”，在不同的負(fù)載情況下，觀察MOSFET的柵極控制信號(hào)、主電路上下橋臂中點(diǎn)、負(fù)載電壓、負(fù)載電流波形，考察死區(qū)對(duì)負(fù)載電壓波形的影響，并注意這種影響與負(fù)載性質(zhì)、負(fù)載電流方向之間的關(guān)系。

1.5 負(fù)載及電流測(cè)量

電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，必須連接適當(dāng)?shù)呢?fù)載。對(duì)應(yīng)于教材講授內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用到的負(fù)載有電阻負(fù)載、阻感負(fù)載、直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載等三類。各個(gè)實(shí)驗(yàn)用到的負(fù)載如表1所示。

在使用電阻負(fù)載時(shí)，需要安裝散熱片，如圖2所示。即便如此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電阻器表面溫度也會(huì)有明顯上升，需提醒學(xué)生注意安全。

表1 實(shí)驗(yàn)中用到的負(fù)載

圖2 電阻負(fù)載

電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，也離不開電流測(cè)量。為此，選用巨磁阻效應(yīng)芯片ACS70331，自制電流測(cè)量電路板(圖3)，將被測(cè)電流轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成比例的電壓信號(hào)，用來(lái)在實(shí)驗(yàn)中用示波器觀察、測(cè)量電流波形。電流測(cè)量電路與實(shí)驗(yàn)電路板及其電流變化范圍相匹配，測(cè)量帶寬為1MHz，滿足實(shí)驗(yàn)所需。

圖3 電流測(cè)量電路板

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

課堂講授的理論知識(shí)，與實(shí)際應(yīng)用之間，存在一段距離。不只“電力電子技術(shù)”課程如此，許多工科課程都是如此。雖然可以在課堂教學(xué)中更多聯(lián)系實(shí)際，但受學(xué)時(shí)的限制，仍然難以填補(bǔ)理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間的縫隙。為此，大幅度擴(kuò)充了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的預(yù)習(xí)部分內(nèi)容，從電路框架結(jié)構(gòu)講起，按照“為什么、怎么做”的思路，細(xì)致講述實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)與工作過(guò)程，以求彌補(bǔ)這一縫隙，一步步培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力。

在預(yù)習(xí)內(nèi)容中，當(dāng)所述電路可用先修課程知識(shí)來(lái)分析或推導(dǎo)關(guān)系式時(shí)，要求學(xué)生這樣去做，以此告知學(xué)生先修課程知識(shí)的用途及用法，引導(dǎo)學(xué)生在課程之間建立起聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生意識(shí)到并主動(dòng)去應(yīng)用已有知識(shí)來(lái)解決自己的問(wèn)題。

2.2 實(shí)驗(yàn)前講授

實(shí)驗(yàn)前，將實(shí)驗(yàn)電路用到的芯片、器件英文說(shuō)明書(datasheet)作為參考資料發(fā)給學(xué)生。在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書預(yù)習(xí)部分講述具體電路時(shí)，要求學(xué)生閱讀相關(guān)的說(shuō)明書。通過(guò)閱讀芯片說(shuō)明書來(lái)了解芯片性能和使用注意事項(xiàng)、通過(guò)查閱相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)電路設(shè)計(jì)，這都是電力電子電路設(shè)計(jì)的必需步驟，是學(xué)會(huì)用“電力電子技術(shù)”課程知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的必要前提。但許多學(xué)生對(duì)這些英文資料望而卻步。其原因，一是不熟悉，二是受限于專業(yè)英語(yǔ)水平。為鼓勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生正確閱讀說(shuō)明書，將其作為實(shí)驗(yàn)前講授的一項(xiàng)主要內(nèi)容。

為使學(xué)生習(xí)慣于閱讀這些說(shuō)明書，首先分別講解典型的芯片說(shuō)明書、電力電子器件說(shuō)明書的篇章結(jié)構(gòu)，解釋各部分?jǐn)?shù)據(jù)的含義與用處，例如Absolute Maximum Ratings和Recommended Operating Conditions。然后，在講授過(guò)程中，不斷離開PPT頁(yè)面去查閱這些說(shuō)明書來(lái)佐證講述內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)前講授的另一項(xiàng)內(nèi)容是元件焊接相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，包括貼片元件焊接方法、有極性元件的極性識(shí)別等等。除此之外，還需對(duì)預(yù)習(xí)中的難點(diǎn)進(jìn)行講解。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中指導(dǎo)

“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)與課堂講授同步進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)在全開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，每張實(shí)驗(yàn)桌均配備計(jì)算機(jī)、所需測(cè)試儀器設(shè)備、常用工具。實(shí)驗(yàn)所需芯片、電子元件擺放在元件盒內(nèi)，學(xué)生自由取用。指定一周完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，但不限定具體的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，學(xué)生自主安排課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不斷提示學(xué)生多關(guān)注細(xì)節(jié)，多討論，多思考為什么、怎么辦。不斷鼓勵(lì)學(xué)生直面可能出現(xiàn)的問(wèn)題，指出運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的過(guò)程，不僅是在積累自己的經(jīng)驗(yàn)、深化知識(shí)理解，更是造就能力的一種主要途徑，并啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生逐漸掌握定位、分析、解決問(wèn)題的具體步驟和方法。從實(shí)驗(yàn)一到實(shí)驗(yàn)三，越來(lái)越多的學(xué)生嘗試通過(guò)自主研學(xué)來(lái)解決自己遇到的問(wèn)題。

2.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的重要一環(huán)，是思考實(shí)驗(yàn)過(guò)程，凝練、提高實(shí)驗(yàn)所得的關(guān)鍵步驟，并將實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為實(shí)驗(yàn)考核的主要依據(jù)。為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)，提供下列實(shí)驗(yàn)報(bào)告提綱。

(1)實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)電路：請(qǐng)論述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及的理論知識(shí)，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所用電路的結(jié)構(gòu)、工作原理等。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、結(jié)果與分析：請(qǐng)按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給出的實(shí)驗(yàn)步驟，包括焊電路板，依次敘述你的實(shí)驗(yàn)過(guò)程、得到的波形/數(shù)據(jù)等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行處理、分析。鼓勵(lì)同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)指導(dǎo)書設(shè)定的實(shí)驗(yàn)步驟之外，自擬實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證自己的想法，并在報(bào)告中細(xì)致寫出構(gòu)思與過(guò)程與結(jié)果。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、方法、分析結(jié)果等內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單的歸納、總結(jié)，亦可寫心得體會(huì)、感悟等。

有不少學(xué)生在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的過(guò)程中，返回實(shí)驗(yàn)室完善實(shí)驗(yàn)過(guò)程。從提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)看，有思考，有見(jiàn)解，有感悟，學(xué)生確實(shí)做了一次不同以往的實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

《教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見(jiàn)》(教高[2019]6號(hào))要求“引導(dǎo)學(xué)生多讀書、深思考、善提問(wèn)、勤實(shí)踐”。讀書、思考、提問(wèn)、實(shí)踐四者互為依托，相輔相成。勤實(shí)踐，為深思考、善提問(wèn)提供支撐，并促使學(xué)生多讀書。在地方高校中，由于各種因素的限制和較長(zhǎng)一段時(shí)期以來(lái)的習(xí)慣逐漸養(yǎng)成，專業(yè)實(shí)踐教學(xué)往往被弱化，成為制約上述要求達(dá)成的最主要因素。

本文以加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)、會(huì)用為直接目的，探討了“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)改革的具體做法。一方面，通過(guò)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路板和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，撰寫填補(bǔ)課堂知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間縫隙的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，給出引導(dǎo)性的實(shí)驗(yàn)步驟，將課程的理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)融為一體，將課堂知識(shí)與能力、素質(zhì)培養(yǎng)有機(jī)融合，共同達(dá)成課程培養(yǎng)目標(biāo)。另一方面，教師指導(dǎo)強(qiáng)調(diào)啟發(fā)和授人以漁，積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式、個(gè)性化學(xué)習(xí)；將實(shí)驗(yàn)安排在全開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，限定完成時(shí)間節(jié)點(diǎn)，不指定具體時(shí)間；提供全套實(shí)驗(yàn)儀器、工具和自由取用的芯片、電子元件，為學(xué)生提供自主研學(xué)的舞臺(tái)。

與原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相比，改革后的“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的研究性、綜合性大大加強(qiáng)，挑戰(zhàn)度顯著提高，學(xué)生為完成實(shí)驗(yàn)所需投入的學(xué)習(xí)時(shí)間大大增加。而學(xué)生經(jīng)過(guò)刻苦努力，最終完成實(shí)驗(yàn)、收獲能力、增長(zhǎng)素質(zhì)時(shí)的喜悅與成就感，是對(duì)教師最大的鼓舞和激勵(lì)。