“電力電子技術”課程教學應用研究

　電氣工程領域口徑寬，知識更新快，相對于其他學科，理論與實踐的教學要求較高。教學模式的改革可以在不大幅改動當前教學內容與課時的前提下，改進授課方式與考察方式，達到提高學生學習效果的目的。本文對“電力電子技術”課程教學模式進行探索，研究了如何提煉教學的技術路線與關鍵問題，以更好幫助學生緊密知識點與授課內
容。
1、“電子電子技術”課程的教學方法
以問題為導向的教學模式PBL是一種以問題為導向，以學生自主學習為主的教學模式。這種模式在工科院校的實施存在一定的挑戰: 工科知識點的分散與問題的提出形成了一對矛盾; 如不能準確提煉問題，可能會導致學生對授課對象認識不夠全面，從而背離zui初的教學目標。所以提煉PBL模式下教學的技術路線與關鍵性問題十分必要。既需要讓學生對提出的問題一目了然，抓住重點，又必須具有全面性。
就教學方法而言，“電力電子技術”的前接課程主要以電路直觀的方式進行教學，而進入本課程學習時，要逐漸幫助學生建立起電路—模型—系統的概念。其后續課程主要注重數學描述與系統理論，故“電力電子技術”的教學在整個電氣工程專業的教學中處于中間環節，起著承前啟后的作用; 所以采用以問題為導向的教學模式時必須充分考慮“電力電子技術”課程的這一特殊性。
我們以圖1 所示的降壓式電子變換器為例。若定義開關變量d = 1 代表開關導通，d = 0 代表開關斷開，則可以寫出用來描述系統動態特性與靜態特性的微分方程組:

需要注意的是，上式是一個非線性方程組，對于電路設計者而言，可以利用該微分方程組進行系統的建模與動態仿真; 而對于電力電子電路的初學者來說，上式不具備電路( 物理) 直觀性，對理解電路工作過程及計算方法幫助十分有限。

圖1 降壓式電子變換器
所以在引出后續課程的分析方法之前，教師可以適當利用電路直觀的方法進行電力電子電路的教學，以利于學生分析思路的銜接與轉變。
2、課程教學主線分析
基于電路的分析方法可以幫助學生更好前接課程知識，消除對非線性開關電路的畏懼心理。本文采取了以基本電路定理( KCL 和KVL) 為主線貫穿教學過程，以下面將介紹的四種分析方法為支撐。我們通過分析方法的映射，將電力電子電路八個關鍵問題起來，如圖2 所示。

圖2 電力電子電路教學模式
基爾霍夫的電壓定律KVL 和電流定律KCL 適用于任何電路的分析。前接課程的學習中，KCL 和KVL 主要用在連續電路量上，而電力電子分析的電路量多為斷續量，例如圖1 中開關T 和二極管D 聯結點的電流，以及二極管、電感和電容回路的電壓皆是。所以電力電子電路的分析中，KVL 和KCL 依然是zui基本的分析工具。基于兩個定律并且結合多輪的教學實踐，本文提煉了如下四種分析方法。
1) 無源器件性質
無源器件電感的伏秒平衡和電容的安秒平衡是開關電路穩態運行的必要條件，這兩個平衡關系為穩態計算提供便利。通常電感伏秒平衡可以用來進行電路穩態關系計算，而電容安秒平衡可以用于電容內部損耗與電壓紋波的計算。
2) 平均化技術
平均化技術將一個周期變化量進行平均處理，用數學中時間加權的概念取變量的平均值進行計算; 平均化技術將時變波形直流化，可以簡化電路的穩態與動態計算。
3) 小紋波假設
在一個相對電路時間常數很短的時間段內，如果電路變量變化不大，可以假設在這一段時間內此電路變量為恒定值; 或者用線性關系來代替指數關系。小紋波假設是一種降階的處理方法，可以提高計算效率。
4) 小信號分析
由于電力電子電路是非線性時變系統，控制系統設計主要關注系統的小信號特性; 而在電力電子初級學習階段，借助小信號分析法可以定性探討系統的紋波特性，從而得到一些有利于系統計算與設計的快速結論。
3、關鍵問題研究
對本研究中教學模式的關鍵問題凝煉可以有機結合本課程常用的分析方法，有邏輯性的展開教學，幫助學生掌握電力電子電路的分析方法與手段。結合以往教學與科研實踐，本研究中提煉了如下八個關鍵問題。
1) 換流問題
換流是開關電路*的現象; 換流在本質上是典型的KCL 問題; 通過結合可控/不控開關的性質與KCL 定理可以使得分析過程更加直觀，有助于學生舉一反三。
2) 功率傳輸模式/濾波器模式問題
開關變換器由組合開關與濾波器組成，分析電路時不必拘泥于元件與回路，可以采用端口網絡的形式進行分析。如圖3 虛線所示變換器可以拆分成開關網絡與LC 濾波器的接連形式。這種拆分直觀地便于學生利用系統的視角，以模塊化的思想理解電路結構。

圖3 變換器端口網絡分解
3) 電感電流紋波問題
磁元件是電力電子電路中重要的組成部分。電感的尺寸、開關頻率和電感電流的紋波有直接。理解電感紋波問題需要掌握無源器件的性質、KVL方法和平均化技巧，這些促使電路的分析進一步工程化和實際化。
4) 運行模式問題
電感電流紋波的分析會直接引出變換器的電感電流連續模式CCM 與斷續模式DCM。這兩種模式導致電路的穩/暫態性能有較大區別，分析這兩種運行模式需要綜合運用第2 節中的技巧。對CCM 與DCM 模式下的各項指標的綜合對比，可以評估學生的綜合運用各種分析技巧的效果。
5) 穩態性能分析問題
電力變換器的穩態性能主要指的是輸入輸出的電壓/電流關系、系統效率和功率因數等。平均化技術和無源器件性質是求解此類問題的關鍵。
6) 開關器件電壓/電流應力問題
電力電子電路中，由于換流現象的存在，開關器件的電壓和電流是斷續的; 要分析開關器件的電壓電流應力，需要綜合利用KCL 和KVL 定理以及開關器件容量的選取方法。對各基本電路拓撲中開關器件電壓/電流的計算和比較，也是一個關鍵問題。
7) 電容電壓紋波與電流計算問題
大多數電力電子電路以恒壓輸出為主要目標，所以電容是電力電子變換電路通常采用的輸出元件。電容電壓的浮動和電容電荷的充放電有直接關系，通過電容輸出節點的KCL 方程，再結合小信號分析法，可以得出電容中的電流與其他支路電流的關系;對充電或放電電流積分，可以得到補充或釋放的電荷從而獲取電容電壓紋波表達式。電容電壓與電流的計算對系統穩態性能的評估有重要意義。表1 概括了教學模式中的八個關鍵問題與對應的定理與分析方法，主要分析技術分布于關鍵問題之中，表明提出的關鍵問題具有普適性。

表1 技術路線與關鍵問題映射
本文提出了應用于“電力電子技術”課程教學的技術路線、關鍵問題及其呈現形式; 對該課程教學中的主要問題進行了剖析，對需要考察的知識點進行了梳理與探討。分析結果表明，主要技術路線與關鍵問題的選擇在電力電子技術教學的中起到了承前啟后的作用。教學實踐的評估表明，本文中提出的技術路線與關鍵問題對學生的初步自學與后續的深入學習提供了清晰的思路。