电力电子课程设计实践平台的构建

孙 佳，齐文娟，黄梓昂

(上海交通大学 电气信息与电气工程学院,上海 200240)

电力电子课程设计实践平台的构建

孙 佳，齐文娟，黄梓昂

(上海交通大学 电气信息与电气工程学院,上海 200240)

随着科技的日益发展与进步，电类专业大学生的电子设计水平与实践动手能力亟待加强。电力电子课程设计是一门以实践为主的设计性课程。首先介绍了该课程的教学目标、教学方法、课程内容等信息，然后详细讲述了该课程实践平台的设计思路，最后以反激电源为例给出了该实践平台的教学成果，并展示了优秀学生作品。实践证明，通过该课程的学习，学生能够清晰地了解电子设计的思路与流程，掌握电源设计及调试的一般方法，大大提高电子电路设计水平和动手能力，为今后进一步学习和工作打下基础。

电力电子; 课程设计; 反激电源； 实践平台

0 引 言

近年来，在教学改革与就业需求的大环境变化下，实践性课程的建设已逐步成为本科生教学的一个重要组成部分[1]。我校电气工程实验中心经过一系列的探索和实践，逐步完善了以实践为主的课程设计教学体系，使学生在本科生阶段就能够获得自主设计的机会，将理论与实践更好的结合[2-4]。

电力电子课程设计是高校电气相关专业的一门重要课程，它集技术性、工程性和实践性于一体，通过项目方案制定、硬件原理图设计[3]、PCB制版、系统调试等步骤，学习电子电路的设计及制作方法。实验中心开设的电力电子课程设计以电力电子专业最典型的电源设计为基础，要求学生完成一套完整的电源设计作品[5-7]。本文通过介绍该课程平台的构建，对其组织形式和教学成果进行总结。

1 电力电子课程体系

1.1课程性质和教学目标

此课程是电气工程及自动化专业的重要课程，目的是使学生了解和掌握电力电子电路的设计原理和设计方法，初步学习电路板的设计、制作以及调试的基本方法，加强学生自学能力、实践动手能力以及团队合作能力的培养。

1.2教学方法

课程以学生自行设计为主，结合教师及助教辅导答疑。课堂教学主要讲解电源设计基本原理，提高学生对电源设计的兴趣、初步了解设计方法。着重培养学生自主学习的意识、自主学习的能力和实践动手的能力[8]。

1.3课程内容

以反激电源为例，讲解电源的基本结构及其变换技术的原理和设计方法，使学生清晰地了解电力电子电路设计的基本步骤，学会反激电源设计及调试的方法。具体课程内容为:①了解反激电源的结构及各主要部件工作原理。②根据反激电源的工作原理绘制硬件原理图，生成.sch文件。③使用电路仿真软件Multisim针对设计好的原理图进行仿真。④据仿真结果修改并完善原理图，使用Altium Designer软件绘制PCB图，生成.pcb文件。⑤将生成的.pcb文件制成印刷电路板，焊接元器件。⑥调试硬件，记录数据及波形，完成设计报告。

2 电力电子课程设计实践平台构建

2.1实现目标

设计一套反激电源电路板，输入为DC 40～100 V，输出为4路DC，分别为+15、+15、-15和+12 V，传输功率50 W。

2.2实现方法

(1) 反激电源的定义及特点。开关电源可分为隔离与非隔离两种形式。隔离电源按照结构形式不同，可分为两大类：正激式和反激式。正激式指在变压器原边导通同时副边感应出对应电压输出到负载，能量通过变压器直接传递。半桥、桥式电路都属于正激电路。反激式指在变压器原边导通时副边截止，变压器储能。原边截止时，副边导通，能量释放到负载的工作状态。

正激和反激电路各有其特点，在设计电路的过程中为达到最优性价比，可以灵活运用。一般在小功率场合可选用反激式。稍微大一些可采用单管正激电路，中等功率可采用双管正激电路或半桥电路，低电压时采用推挽电路，与半桥工作状态相同。大功率输出，一般采用桥式电路，低压也可采用推挽电路。

反激式电源因其结构简单，省掉了一个和变压器体积大小差不多的电感，而在中小功率电源中得到广泛的应用。一般情况下，反激式电源功率只能做到几十W，输出功率超过100 W就没有优势，实现起来有难度。只有极少数公司的芯片可以将反激式电源做到300 W左右。

(2) 反激电源工作原理。反激电源工作电路如图1所示。当功率管Q导通时，电源电压Uin加在变压器原边绕组两端，此时副边感应电动势下正上负，二极管D1截止，输出电压Uout由滤波稳压电容提供；当功率管Q关断时，原边绕组开路，此时副边的感应电动势反向，导通二极管D1，储存在变压器中的磁场能一边给电容C1、C2充电，一边给负载供电。故反激电源中的变压器有两个作用：储能和传递能量。

图1 反激电源工作原理图

当反激电源电路工作于连续传导模式时，分析其输入输出关系：设功率管Q工作时的PWM波占空比为Duty，Q导通时，Uin给变压器充电；Q关断时，变压器给电容充电，因此可以得到关系式：

式中K12=N1/N2，N1和N2分别为变压器原边绕组和副边绕组的匝数[9-14]。

(3) 原理图设计。图2所示为主电路输入部分原理图，输入电压加在BAT+和BAT-之间，经变压器原边和功率管Q1(K3564)。Q1的导通和关断由芯片UC2845控制，UC2845通过反馈引脚采集一路+15 V输出分压而来的电压来与参考的+2.5 V做比较，从而控制PWM波的输出，进而控制Q1的导通情况，使输出的+15 V能够接近理想值。Q1的驱动电路也由UC2845整合。

图2 输入部分原理图

UC2845芯片开始工作时需要一个开启电压，此时的开启电压由BAT+经一个高阻功率电阻来提供；当芯片开始工作后，需要的工作电压大于开启电压，此时的工作电压由逐渐稳定的+15 V输出电压反馈回来提供。

与Q1并联的缓冲电路可以起到吸收电压尖峰的作用。

图3为主电路输出部分原理图。主电路共有4路直流输出，分别为2路+15 V、1路-15 V和1路+12 V。

(4) 电路仿真。原理图设计完毕后，使用电路仿真软件Multisim进行仿真，以验证电路的合理性。搭建的仿真电路如图4所示。仿真电路基本按照原理图来搭建。借助Multisim强大的仿真功能，可以得到比较理想的仿真结果[15-16]。

图3 输出部分原理图

图4 仿真电路

仿真结果如图5，输出为其中一路+15 V，从波形可以看到，输出在8 ms内从0 V开始慢慢上升至+15 V并趋于稳定，符合预期。该路+15 V输出会作为反馈信号，反馈到控制芯片的对应引脚上，以调整各路输出。也就是说，这路输出的准确性间接影响了其他路输出的准确性。

图5 仿真结果

(5) PCB设计。PCB设计使用Altium Designer来完成，双层布线。

反激电源的PCB如图6所示。输入接口和输出接口都设置在PCB板下方，有利于与外部电路进行连接，方便调试等。

图6 反激电源PCB设计

接口排针的上部为4路输出电路，排列有序，方便调试时引出输出端。

PCB板上半部分为控制电路，下半部分为主电路，变压器置于中间偏左，功率管和散热片置于中间偏右。整体的功能结构分块井然有序。

2.3结果调试

电路焊接完成后进行调试，输入DC+48 V，测试4路输出，可得如图7～10所示4个输出波形。

图7 +15V D输出

图8 -15V T输出

图9 +15V P输出

图10 +12V D1输出

从该4图的波形看，输出基本为稳定的直流。图7～9 3路输出的电压峰峰值较小，而图10输出的电压峰峰值稍大，说明在这一路PCB的设计上还有改善的余地。

从学生设计的角度上看，各项测试参数都在允许的误差范围内，基本实现了预期目标。

由学生采用团队合作形式(每组2或3人)自行设计并焊接调试的反激电源作品如图11所示。

图11 反激电源学生设计作品

3 结 语

电力电子课程设计实践平台紧跟现代电力电子技术的发展趋势，考虑学生知识层次与理解能力，结合实验室实际情况，讲解反激电源的基本原理和主要电路结构，让学生独立完成反激电源电路原理图的设计、电路仿真、PCB图的绘制以及硬件电路的调试，大大锻炼了学生的文献阅读、团队合作、动手实践等能力。

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ConstructionofPowerElectronicsCourseDesignExperimentalPlatform

SUNJia,QIWenjuan,HUANGZiang

(School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

With the development of science and technology, thee lectrical major students’ ability of electronic design and practices is highly expected to be consolidated.Electrical/electronic design is such a curriculum based on practices.This article firstly introduces some information such as curriculum goals, methodologies and contents.Then it demonstrates the design idea of the platform.Lastly taking “flyback power supply” as an instance, it concludes the result of the course and also lays out the designs from excellent students.From this course, students can get a clear comprehension on the idea and general process of electronic design, and master the methods of power supply design, which can improve their ability of power electronic circuit design.It would be significant for their further research and future jobs.

power electrics; course design; flyback power supply; practical platform

TP 216

A

1006-7167(2017)10-0244-04

2016-10-08

孙 佳(1983-)，女，黑龙江哈尔滨人，工程师，电气工程实验教学中心副主任，主要研究方向: 电力电子与电力传动。Tel.:021-54742868; E-mail:sjia@sjtu.edu.cn