“電力電子技術(shù)”課程啟發(fā)式教學(xué)的探索與實(shí)踐

李 飛，劉孟桃，張 興，黃海宏

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

電力電子技術(shù)是在電子、電力與控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門新興交叉學(xué)科，被國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)命名為電力電子學(xué)，或稱為電力電子技術(shù)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)已逐步滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，并取得了迅速的發(fā)展。

作為電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化或相關(guān)本科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，“電力電子技術(shù)”課程講述了電力電子器件、電力電子電路及變流技術(shù)的基礎(chǔ)理論、基本概念和基本分析方法，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和電力電子技術(shù)的研究與應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)[1]。

對(duì)于本科生而言，“電力電子技術(shù)”課程的主要內(nèi)容是介紹電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)理論，同時(shí)也應(yīng)反映當(dāng)今電力電子技術(shù)的應(yīng)用，而如何通過(guò)有限的課時(shí)讓學(xué)生理解這些內(nèi)容并不是一件簡(jiǎn)單的事情，如果想進(jìn)一步讓學(xué)生掌握電力電子技術(shù)知識(shí)點(diǎn)背后的思路、方法、規(guī)律，進(jìn)而能舉一反三，則更是難上加難之事。

對(duì)于上述“電力電子技術(shù)”教學(xué)中的難關(guān)，本文將引進(jìn)啟發(fā)式教學(xué)對(duì)其進(jìn)行攻克，來(lái)提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握能力。啟發(fā)式教學(xué)就是根據(jù)教學(xué)目的、內(nèi)容、學(xué)生的知識(shí)水平和知識(shí)規(guī)律，運(yùn)用各種教學(xué)手段，采用啟發(fā)誘導(dǎo)辦法傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力，使學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)，以促進(jìn)身心發(fā)展。啟發(fā)式教學(xué)不僅是教學(xué)方法，更是一種教學(xué)思想，是教學(xué)原則和教學(xué)觀。而本文針對(duì)“電力電子技術(shù)”課程的啟發(fā)式教學(xué)方法為：在教學(xué)過(guò)程融入提出問(wèn)題、改進(jìn)、再提出問(wèn)題、再改進(jìn)這樣逐步深入學(xué)習(xí)的過(guò)程。這種通過(guò)經(jīng)歷問(wèn)題的解決過(guò)程，能激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)對(duì)解決問(wèn)題的方法的探索，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造熱情，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生就可以結(jié)合自己學(xué)過(guò)的知識(shí)和學(xué)習(xí)過(guò)程中所掌握的關(guān)于電力電子方面的學(xué)習(xí)方法和思想做到舉一反三，進(jìn)而進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，也讓電力電子教學(xué)中課時(shí)少而內(nèi)容多的的問(wèn)題得到改善。

1 啟發(fā)式教學(xué)與“電力電子技術(shù)”課程

古人曰：“學(xué)起于思，思源于疑。小疑則小進(jìn)，大疑則大進(jìn)?！笨梢姀墓砰_始人們便發(fā)現(xiàn)生疑、發(fā)問(wèn)的重要性，學(xué)習(xí)、思維和進(jìn)步都是從發(fā)問(wèn)開始，因而整個(gè)教學(xué)過(guò)程如果結(jié)合提出問(wèn)題進(jìn)行便會(huì)有一番新的天地。所以本文針對(duì)“電力電子技術(shù)”課程特點(diǎn)，提出采用啟發(fā)式教學(xué)方法進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的講解。雖然啟發(fā)式教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)甚是明顯，但我們也要著眼于它的可實(shí)施性，如何讓它順利地應(yīng)用于“電力電子技術(shù)”教學(xué)中去才是重中之重。將啟發(fā)式教學(xué)方法應(yīng)用到“電力電子技術(shù)”課程中應(yīng)該注意以下技巧：

(1)關(guān)于引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題方面：提出的問(wèn)題切入點(diǎn)要貼合課程內(nèi)容，并且易于學(xué)生想到；問(wèn)題的提出要有梯度性、連貫性以及開放性。

(2)關(guān)于引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題方面：要引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、探索求知或和同學(xué)們交流討論，產(chǎn)生不同思想碰撞。

(3)關(guān)于解決問(wèn)題方面：引導(dǎo)學(xué)生擇最優(yōu)解決問(wèn)題的方法，并補(bǔ)充好重難點(diǎn)概念；做好評(píng)價(jià)總結(jié)，注意新問(wèn)題的產(chǎn)生，以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步的思考[2]。

“電力電子技術(shù)”課程的教材及授課安排中，多數(shù)通常是直接給出最終的結(jié)論或者解決方案，諸如電路拓?fù)涞龋缓蠹右苑治?、推演?lái)證明結(jié)論的正確性[3]。該教學(xué)方法雖然可以完成知識(shí)點(diǎn)的教授，但不利于學(xué)生對(duì)于知識(shí)的擴(kuò)展和應(yīng)用。故本文以軟開關(guān)變換器為例，講授“電力電子技術(shù)”課程的啟發(fā)式教學(xué)方法[4]。本文所講的啟發(fā)式教學(xué)注重引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)、思考并解決問(wèn)題：首先從軟開關(guān)變換器的特定功能的實(shí)際需要出發(fā)，提出可能實(shí)現(xiàn)這一特定功能的解決思路，然后通過(guò)分析、比較、改進(jìn)，最終推演出比較完善的軟開關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 教學(xué)案例

以軟開關(guān)變換器拓?fù)浼捌涓倪M(jìn)為例，首先介紹硬開關(guān)的概念，根據(jù)硬開關(guān)所存在的損耗問(wèn)題，再引入軟開關(guān)的概念和意義，然后再根據(jù)如何實(shí)現(xiàn)BOOST變換器的零電壓開通，引出準(zhǔn)諧振軟開關(guān)電路，由于此類拓?fù)錈o(wú)法實(shí)現(xiàn)PWM控制，故改進(jìn)成開關(guān)PWM變換器，但又發(fā)現(xiàn)其存在損耗和開關(guān)管耐壓的問(wèn)題，進(jìn)一步改進(jìn)為零轉(zhuǎn)換PWM變換器，此種引導(dǎo)學(xué)生一步一步提出問(wèn)題、思考問(wèn)題、改進(jìn)問(wèn)題的過(guò)程，即啟發(fā)式教學(xué)應(yīng)用于“電力電子技術(shù)”課程中的過(guò)程，下面將仔細(xì)闡述。

以BOOST變換器為例進(jìn)行分析，引入軟開關(guān)的概念，并引導(dǎo)學(xué)生討論如何實(shí)現(xiàn)其軟開關(guān)？

首先對(duì)BOOST變換器電路進(jìn)行等效簡(jiǎn)化。對(duì)變換器做如下假設(shè)后，可將BOOST變換器電路簡(jiǎn)化成如圖1所示結(jié)構(gòu)：

圖1 BOOST變換器電路簡(jiǎn)化拓?fù)?/p>

(1)BOOST電路中的輸入電感和輸入電壓可以看成一個(gè)電流為Ii的恒流源；

(2)BOOST電路中輸出電容足夠大可以看成一個(gè)電壓為Uo的恒壓源。

對(duì)于上述BOOST變換器電路中存在的開關(guān)管而言，電流和電壓有交疊區(qū)，會(huì)產(chǎn)生損耗，對(duì)于硬開關(guān)的開通過(guò)程，怎樣消除損耗呢？

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考：如果使開關(guān)開通(關(guān)斷)前電壓(電流)先降為零，這樣就消除了電壓與電流的交疊區(qū)從而可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗的軟開關(guān)過(guò)程，如圖2所示，即零電壓開通。

圖2 零電壓開通過(guò)程

而對(duì)于BOOST變換器，如何實(shí)現(xiàn)零電壓開通呢？通過(guò)已學(xué)內(nèi)容學(xué)生可知：LC諧振電路可以使得電壓和電流相位錯(cuò)開，避免重疊造成的諧振，故開關(guān)管開通時(shí)刻，引入諧振電路可以使開關(guān)管電壓反向，二極管導(dǎo)通，將開關(guān)管電壓鉗位于零，從而實(shí)現(xiàn)零電出回路，與電容C構(gòu)成LC諧振回路，稱為準(zhǔn)諧振軟開關(guān)電路，如圖3所示。

圖3 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)電路

對(duì)該電路工作過(guò)程進(jìn)行分析后，總結(jié)并提示學(xué)生此種拓?fù)浯嬖谝韵氯秉c(diǎn)：L，C參數(shù)決定關(guān)斷時(shí)間，無(wú)法調(diào)節(jié)。只能通過(guò)導(dǎo)通時(shí)間調(diào)節(jié)來(lái)改變輸出電壓，即使用PFM調(diào)制。

針對(duì)上述缺點(diǎn)，如何改進(jìn)準(zhǔn)諧振軟開關(guān)電路進(jìn)行克服呢？即如何將PFM調(diào)制轉(zhuǎn)換成PWM調(diào)制。

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考：若可以控制諧振發(fā)生時(shí)刻，且使諧振只發(fā)生在開關(guān)管導(dǎo)通之前一小段時(shí)間，則可以實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時(shí)間的調(diào)整，從而再實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

引入輔助開關(guān)管VTS1：VTS1導(dǎo)通時(shí)，將電容C兩端電壓UC箝位在U0，電路無(wú)法諧振；VTS1關(guān)斷時(shí)，電路可以發(fā)生諧振。輔助開關(guān)的加入，控制諧振開始時(shí)刻，同時(shí)此時(shí)所設(shè)計(jì)的LC電路諧振周期很短，諧振過(guò)程時(shí)間可以忽略不計(jì)，此時(shí)電路可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制，如圖4，即零開關(guān)PWM變換器。

圖4 零開關(guān)PWM變換器

進(jìn)一步的對(duì)該電路工作過(guò)程進(jìn)行分析，總結(jié)并提示學(xué)生零開關(guān)PWM變換器存在以下不足：

(1)諧振電感串聯(lián)在主功率回路中，損耗較大；

(2)諧振電容兩端的峰值電壓依然較高，增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。

對(duì)于如何改進(jìn)零開關(guān)PWM變換器的不足？從以下兩個(gè)方面引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考。

1)避免損耗和高耐壓

如果諧振電流不流經(jīng)負(fù)載，則會(huì)降低損耗，那么我們可以將電感并聯(lián)于回路中，這樣也會(huì)使電容峰值電壓能鉗位于輸出電壓，如圖5所示。

圖5 軟開關(guān)變換器

2)實(shí)現(xiàn)PWM制

同樣需要使用輔助開關(guān)調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間。如果將輔助開關(guān)并聯(lián)于電感則會(huì)使電容短路，如果將輔助開關(guān)串聯(lián)于電感則可以調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間，但需要給電感提供續(xù)流回路，接入二極管，得到零轉(zhuǎn)換PWM變換器，如圖6所示。

圖6 零轉(zhuǎn)換PWM變換器

最后，可以讓學(xué)生自主回顧整個(gè)變換器軟開關(guān)變換器拓?fù)渲鸩礁倪M(jìn)的過(guò)程，加深對(duì)啟發(fā)式學(xué)習(xí)和知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的啟發(fā)式教學(xué)就是在教學(xué)中融入提出問(wèn)題、改進(jìn)、再提出問(wèn)題、再改進(jìn)這樣逐步深入學(xué)習(xí)的過(guò)程，同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中培養(yǎng)分析與解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生能做到舉一反三、觸類旁通。雖然啟發(fā)式教學(xué)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是執(zhí)行起來(lái)還是有一定的難度，不僅需要教師們對(duì)知識(shí)點(diǎn)要有深刻理解，能引導(dǎo)學(xué)生自主思考，從提出問(wèn)題到解決問(wèn)題，還需要學(xué)生們的配合，在教師的引領(lǐng)下，主動(dòng)地去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并嘗試結(jié)合自己學(xué)過(guò)的知識(shí)去解決問(wèn)題、完善問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，啟發(fā)式教學(xué)在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中取得了較佳的效果。