職業(yè)教育下“電力電子變換器”課程的探索與實踐

左廷友 蘇瑞 劉益民

摘? 要：工科職業(yè)教育是國家發(fā)展的重要基石和“助燃劑”，國有電力裝備企業(yè)的深化改革必將帶動工業(yè)電氣設備大發(fā)展，電力電子變換器也已成為企業(yè)科技創(chuàng)新的核心競爭力。以《電力電子技術》這門課程為理論基礎，提出一種滿足企業(yè)發(fā)展所需要的“實戰(zhàn)型”教學模式，使學生熟悉電力電子變換器從設計到樣機調試的全過程，加強工科學生的動手能力。

關鍵詞：電力電子變換器? 科技創(chuàng)新? 實戰(zhàn)型? 全過程

中圖分類號：G71 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（a）-0233-04

Exploration and Practice of "Power Electronic Converter" Course in Vocational Education

ZUO Tingyou? SU Rui? LIU Yimin

（School of Automation， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing， Jingsu Province， 211800 China）

Abstract： Engineering vocational education is an important cornerstone and "combustion promoter" for national development. The deepening reform of state-owned power equipment enterprises will certainly drive the great development of industrial electrical equipment， and power electronic converter has also become the core competitiveness of enterprise scientific and technological innovation. Based on the theory of power electronic technology， this paper puts forward a practical teaching mode to meet the needs of enterprise development， so that students can be familiar with the whole process of power electronic converter design and prototype debugging， and promote the practical ability of engineering students.

Key Words： Power electronic converter; Technological innovation; Actual combat type; Whole process

本文提出一種“實戰(zhàn)型”教學的思路，培養(yǎng)出一批具有動手能力、實踐能力的應用型學生。也為其他課程教學提供一種思路和方法，在社會發(fā)展和企業(yè)改革下提高學生就業(yè)質量和崗位競爭力。

隨著政府對國有電力裝備企業(yè)的深化改革，以及電網企業(yè)剝離裝備制造等競爭性業(yè)務的加快發(fā)展，民營電力裝備企業(yè)迎來了空前的紅利時代，這意味著需要更多電氣類的研究型專業(yè)人才來為企業(yè)注入新鮮血液，增強企業(yè)核心競爭力。

《電力電子技術》是電氣信息類專業(yè)的一門主干課程，該課程具有工程實踐性強的特點[1]?！袄碚?仿真”的教學模式往往無法真正滿足企業(yè)對于電氣類人才的需求。本課程綜合了數字電路技術、模擬電路技術、自動控制理論等課程內容，綜合性和實踐性較強。實踐出真知，直接經驗更易得出真理，諸多電氣類學生在工作中也不難發(fā)現，書本所學的理論知識尚不足以應對實際工作時所產生的難題。因此，針對《電力電子技術》開設實踐課程就顯得尤為重要。電力電子技術課程旨在培養(yǎng)一批符合時代發(fā)展的，擁有強大實踐能力和創(chuàng)造性的綜合型應用人才[2]，豐富課堂教學中理論知識，拓展課堂教學的深度和廣度[3]。本文結合本校實際情況，提出了一種涉及知識面廣、將仿真與實驗相結合的“電力電子變換器”課程教學體系，可以讓學生在這門課中復習理論、實戰(zhàn)學習，將理論知識與實踐經驗相統一。

1? 工科職業(yè)教育中理論結合實踐的必要性

在國有電力設備制造企業(yè)改革的紅利下，大多數民營電力裝備企業(yè)會抓住機遇加快研發(fā)新設備，進一步提高市場份額。電力電子變換器作為開關電源的重要組成部分，是電力裝備企業(yè)涉及高新技術的核心設備，包括UPS、逆變電源、整流模塊等設備。這些設備保障了電網一次設備穩(wěn)定、可靠、可控地運行，為居民用電和工、商業(yè)用電提供保障。開關電源類設備也成為電力裝備類企業(yè)科技創(chuàng)新的核心內容，研發(fā)類崗位門檻更高，所需知識儲備也更多。因此對高校畢業(yè)生的要求也是越來越高，真正具備優(yōu)秀實踐能力和理論知識儲備的學生才能成為企業(yè)所需人才。

在工科職業(yè)教育中，立足于專業(yè)特色和行業(yè)背景，明確《電力電子技術》課程設計的任務、作用，以“注重素質培養(yǎng)，強化實踐能力”為指導思想[4]。“電力電子變換器”課程應注重理論結合實踐，培養(yǎng)學生動手解決問題的能力，如讓學生了解變換器的工作機制的同時也需要掌握其設計理念，增強學生自主學習的興趣。強理論、重實踐、感興趣才能有助于增強學生的就業(yè)競爭力，提高學校的教學質量和就業(yè)質量，推動工科職業(yè)教育進行教法的深化改革。

2? 針對課程講授的實施

“電力電子變換器”應講授的理論部分主要有電力電子器件、各類拓撲、PWM控制技術，本文不再贅述此部分。本文主要通過設計并制作一款后級buck變換器來演示“實戰(zhàn)型”教學，為學生詳細講解buck變換器樣機“從無到有”的全過程，再將學生按照人數劃分小組，各自完成相關的設計和調試任務。

2.1 buck基本拓撲電路參數計算與仿真環(huán)節(jié)（CCM模式下）

2.1.1 參數計算步驟

圖1為buck電路基本拓撲，這里需要計算的主要參數為電感量L和輸出電容值C[5]。但實踐操作興趣較濃的特點，可采取先實踐后理論的方法，讓學生自己研究電子元件，從中發(fā)現問題并尋找答案，進而提高學生探索學習積極性[6]。

在計算之前，我們需要根據我們的設計目標預設一些參數指標，如輸入電壓Vin、輸出電壓Vo、開關頻率f、負載RL、電感電流紋波ΔiL和輸出電壓紋波ΔuC。

電感量L和輸出電容值C的計算主要依據根據伏秒平衡原理，具體的計算過程在電力電子技術的理論課程已講述，本文不再展開，具體設計條件和參數見表1。

2.1.2 參數驗證步驟

PSIM 全稱Power Simulation，是專門針對電力電子電路設計的一款仿真軟件。該軟件各個量均為理想型，是輔助教學的良好工具。在參數計算后采用PSIM仿真的方式進行驗證，可以快速、便捷的查看參數是否符合設計要求，是在元件選型和制作PCB電路板之前的一個重要步驟。

根據表1的參數，在PSIM軟件下進行仿真驗證，buck電路模型如圖2所示，輸出電壓Vo波形如圖3所示，電感電流iL如圖4所示。

在計算參數L=1.05mH、C=70pF下，圖3、圖4的仿真結果輸出電壓Vo穩(wěn)態(tài)值為70V，紋波率小于5%;電感電流iL穩(wěn)態(tài)下為4A，紋波率為5%。本仿真驗證了表1參數L、C的正確性。

2.2 元器件選型與繪制PCB電路板環(huán)節(jié)

2.2.1 元器件選型步驟

元器件選型可以加強學生對元器件的認識。學生對元器件的認識可能還停留在仿真電路圖中的一個符號，對元器件取值與體積之間的關系毫無概念，理論計算出來的取值是否能買到也是一無所知。通過本次“實戰(zhàn)型”課程教學就可以讓學生真切地感受到元器件是什么樣子的、什么叫封裝、什么時候用什么樣的封裝、各個封裝的元器件有什么不同的用途等等。

這里也需要對buck電路的驅動芯片選型，驅動芯片是沒有出現在PSIM仿真軟件中的，這也是只進行仿真教學的一個重要缺點。本實例buck電路的MOS管的源極連接著電感，并沒有接到地。當PWM信號加在G、S兩極時就不能保證VGS大于MOS管的導通閾值，因此這里需要選擇一個驅動芯片對MOS管進行驅動。

根據學校實驗室條件，將元器件的型號和參數歸類后羅列出清單，讓學生依據參數計算的結果和電路運行時元件所要承受的電壓、電流值在清單中選擇合適的元器件。

2.2.2 電路板繪制步驟

PCB原理圖可以使用Altium Designer、Mentor pads、立創(chuàng)EDA等軟件進行繪制，這就需要學生提前學習這些軟件的使用方法，這也是作為一名電氣類專業(yè)學生所必須會使用的工具之一。本教學步驟可以讓學生將自己設計的電路落到“實處”，原理圖生成PCB文件后，再將元器件擺放并連線后即可發(fā)到工廠打印出電路板。

本步驟是實踐性最強的部分，這里需要進行多個繪制環(huán)節(jié)才能完成可打樣的PCB文件，如繪制原理圖庫、PCB封裝庫、原理圖、元件擺放等，這使學生也會明白為什么需要先選好封裝再進行電路板的繪制。本步驟也是設計細節(jié)最多的部分：PCB板的大小、元器件擺放的位置、連接線的長短粗細、過孔的大小等等因素都會影響到電路調試的效果，這里也是需要學生多進行文獻閱讀和電路調試才能做好本部分內容。

本次示例教學buck電路在Altium Designer下原理圖如圖5所示。其中TLP250為驅動芯片;D1為TO-220封裝的肖特基二極管;CN2為二極管電流測量端口，CN3為電感電流測量端口;C1、R11、R12、R21、R22為RC吸收電路，可防止二極管反向導通;PWM信號通過U1的2、3引腳輸入并預留多個端口方便信號的輸入和測量。需要注意的是，圖5中存在兩個“地”，其中一個是“GND”意為信號地，另一個是“PGND”意為功率地。

2.3 電路調試環(huán)節(jié)

電路調試是一個驗證設計合理性和考查動手能力、使用儀器能力的環(huán)節(jié)，調試結果也最易受到各方面的影響，這就需要學生們在調試時做好記錄。這里的設計不僅包括參數設計的合理性，還包括PCB板設計的合理性。調試環(huán)節(jié)也是最能考查和鍛煉學生遇到問題時如何解決的能力，因為調試結果受到多方面影響，除了設計方面的因素還有焊接、上電時序、測量設備等因素，所以需要學生思維一定要縝密并將各方面因素都考慮到。在調試過程中使用到很多設備，如直流電源、電子負載、示波器、輔助源等，這也是電氣類學生在畢業(yè)后從事相關工作所常用到的設備。如何正確使用這些設備又是需要學生學習的一項內容，這又是單一仿真教學所涉及不到的知識。

3? 結語

電力電子技術的飛速發(fā)展， 正在快速改變人們的生活方式[7]。本文以buck電路為例，講述了電力電子變換器面向職業(yè)化的“實戰(zhàn)型”課程的全過程，可以讓學生們跳出對電力電子變換器書本層面的認識，親自繪制電路板并進行調試，這個“從無到有”的過程中涉及到的每一個知識都是可以也是值得深挖的。結合本校實驗室的實際情況，這種實戰(zhàn)型的教學模式已經逐步開始實施并在電子設計大賽中獲得省級獎項?；诠た坡殬I(yè)教育的背景，這種“實戰(zhàn)型”教學模式就有了更明顯的優(yōu)勢。

參考文獻

[1] 陳怡，南余榮.引入啟發(fā)創(chuàng)新模式的電力電子技術實驗教學改革[J].實驗技術與管理，2017，34（2）：28-30.

[2] 陳國平，秦彥軍，張艷，等.以應用型本科人才培養(yǎng)為目標的電力電子技術教學改革與實踐[J].高教學刊，2020（26）：114-117.

[3] 王凱，周圣哲，李玉浩，等.電力電子技術多元化創(chuàng)新型教學模式探索[J].實驗室研究與探索，2019，38（7）：173-175，184.

[4] 張春慧，宗哲英，王利娟，等.“電力電子技術”課程設計過程管理體系建設與研究[J].實驗技術與管理， 2020，37（3）：182-184，192.

[5] 劉慧，郝雯娟，王宇.電力電子技術課程設計教學實例——BUCK電路硬件平臺實現[J].電子世界，2020（14）：30-32.

[6] 鮑晶晶，麥強，卞建勇.高職院校電力電子技術創(chuàng)新教育研究[J].變壓器，2020，57（10）：88.

[7] 畢大強，郭瑞光，陳洪濤.電力電子與電力傳動DSP-HIL教學實驗平臺設計[J].實驗技術與管理，2019，36（1）：226-229.