基于行业发展现状的高职《电力电子技术》课程教学改革研究

包尔恒

一、概述

电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展起来的一门崭新技术，其核心是对电能进行变换及控制，是通过静止的手段对电能进行有效的变换、控制和调节，从而把可利用的输入电能形式变成所希望的输出电能形式的技术，分为交流-直流变换、直流-直流变换、直流-交流变换及交流-交流变换四类电能变换类型。

在我国的学科分类中，电气工程是一个一级学科，它包含了五个二级学科，即电力系统及其自动化、电机与电器、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动、电工理论与新技术。电力电子与电力传动是研究生教育阶段的一个专业方向，而电力电子技术课程是本科及高职高专电气工程或电气自动化专业的必修课程。

电力电子技术在工业生产、交通运输、电力系统、新能源利用及家电产品等领域有着广泛的应用，诸如变频器、开关电源（手机和手提电脑充电器、LED照明驱动电源、电动汽车充电桩等）、不间断电源UPS、太阳能及风能发电、有源功率因数校正、高压直流输电、电力有源滤波等都是电力电子技术的具体应用。在当前各个国家倡导的绿色能源、节能及环境污染治理等环节中，电力电子技术是重要的技术手段。

电力电子技术作为一个学科仅有半个世纪的历史，但由于它对国民经济有明显作用，受到国内外的普遍重视，因而发展相当迅速，以致目前所用的技术，无论在功率器件、电路拓扑、控制方法和系统性能等方面均与早期有明显差别，部分器件及电路拓扑已逐渐退出历史舞台。

基于行业发展现状、趋势及当前严重滞后的电力电子技术教材内容现状，结合目前电力电子电路的工程研究分析方法，及时对现有电力电子技术教学内容及教学方法进行革新有着重要的现实意义，是一项必要和迫切的任务。

二、电力电子技术行业发展及教材现状分析

1.电力电子器件的发展现状

晶闸管（SCR）是一种半控型器件，其基本特点是开关容量大，技术成熟且价廉，但电路结构复杂，开关频率不高，功率密度和整机效率仍然偏低。电力晶体管（GTR）的应用，使电力电子电路由半控型转为全控型，并在不同程度上克服了SCR电路存在的缺点，因而在中小功率领域中出现了GTR电路取代SCR电路的局面。和功率MOSFET相比，GTR具有导通内阻低和阻断电压高的优点，但其输入特性却远逊于前者，因为GTR是一种电流控制型器件，其开通增益仅为5～10，这对大功率器件控制电路的制作工艺和电能消耗都是沉重的负担。此外，为降低噪声，现代电源要求器件以超音频工作，但在硬开关环境中，GTR的典型开关频率仅为5kHz，这显然无法满足上述要求;与此相反，MOSFET是一种电压控制型器件，控制功率极低;它同时又是一种高频器件，完全能在超音频硬开关环境中工作，但其输出特性却不如GTR。由此看来，GTR和功率MOSFET的优缺点具有明显的互补性，因此希望研制一种新型器件，其输入特性和开关特性与MOSFET相似;而输出特性和开关容量则与GTR相似，这种器件就是IGBT，实际上它是一种用MOS栅控制的晶体管。由于IGBT具有GTR和功率MOSFET都无法具备的性能，在短短几年间，IGBT就完全占据了原先GTR的应用领域并使电力电子技术进入到超音频时代。

在高压大功率领域，门极可关断晶闸管GTO的成功应用，使该领域的变流电流省去复杂的阳极关断电路（换流电路）。但GTO存在关断不均匀，易因局部过热而失效;此外GTO也是一种电流控制型器件，其关断增益仅为3～5，需要复杂而昂贵的驱动电路和缓冲电路。由于这些弱点，限制了GTO的广泛应用。当初人们曾寄希望于MOS门控晶闸管（MCT），但经历了17年的研制和生产后不得不宣告终止，足令人扼腕。

在高压大功率全控型器件中，集成门极换流晶闸管（IGCT）是一种将门极驱动电路与芯片集成封装的门极换流晶闸管（GCT），其表现很引人关注。它是在GTO和IGBT的基础上发展起来的，兼具两者的优点，又能克服两者的缺点。以成本为例说明，本来GTO芯片很便宜，但因外围电路结构昂贵，使组件的总体成本明显升高;相反，虽然IGBT外围电路很简单，但芯片成本太高;IGCT是以GTO芯片为基础，但可省区关断缓冲电路，因而器件的总成本最低。

目前GTO已失去其原先占有的4.5KV以下的国际市场，并由IGCT和IGBT取而代之。由于这两种器件正处于发展阶段，可以预计，高于4.5kv的GTO市场也将受到它们的挑战。

目前，随着半导体材料和生产工艺的发展，出现了高耐压等级、高通流能力和低导通电阻的全控型器件MOSFET和IGBT，电力电子装置中基本都是使用这两类器件，其在很多领域已经取代了电力晶体管和晶闸管，从而使得这两类器件在很多领域已经退出历史舞台;同时，反向恢复性能优越的碳化硅二极管的出现，解决了功率二极管的反向恢复问题，大大减小了反向恢复带来的电磁干扰和二极管的功率损耗，近年得到了广泛的使用。

2.功率电路拓扑的发展现状

从电力电子功率电路拓扑的发展层面看，在原有电路拓扑的基础上，近年研究较多的无桥功率因数校正技术（无桥PFC）已经成熟并实用化，大大提高了PFC电路的变换效率;另一个是软开关技术和实用电路的研究和发展，最具代表性的就是LLC谐振变换器，其优越的软开关性能大大提高了DC-DC变换电路的变换效率，成为目前最流行的DC-DC变换电路拓扑，LLC变换器的研究和实用化，大大提高了开关变换器的开关频率，从而为进一步实现高效率、高功率密度（小型化）和低电磁干扰创造了条件;另一个近年研究并实用化的技术是PWM整流技术，其既能实现单位功率因数又能实现双向功率传递的功能，使其得到广泛的关注和应用。

3.电力电子技术的教材现状

基于對目前已有电力电子技术教材的调查，主要弊端在于下述几个方面：

（1）基本都是仍停留在讲述20年以前的电力电子技术，已经或者即将淘汰的器件和电路拓扑还占有教材篇幅的很大比例，大部分教材还是以晶闸管电路为主，基本占据了教材50%以上的内容，而目前行业广泛使用的器件和电路拓扑没有涉及或涉及详细程度不足，新器件新电路没有提及。

（2）所讲述的电力电子器件驱动电路和控制保护电路为理论上可行，但从成本、复杂性和可靠性方面考虑并不是行业广泛使用的实用化电路。

（3）没有设置关于电力电子磁性器件的章节，以致学生对从事电力电子产品研发、维护及售后服务工作时缺乏对电力电子装置整体的认识和理解。

（4）对电力电子装置闭环控制技术环节并未涉及或涉及甚少，同样造成学生对电力电子装置的整体工作原理掌握和理解困难。

（5）电力电子技术的应用实例选题不具有行业发展的代表性。

三、基于行业发展现状的教学改革思路及建议

总体讲，结合电力电子技术的发展现状并兼顾高职高专学生的可接受性，做到“新”“实用”和“适用”三大特点。具体来讲：

1.基于行业发展现状及发展趋势的电力电子器件及功率变换拓扑

不再涉及已经退出历史舞台的电力晶体管，弱化使用范围日益缩小的晶闸管内容篇幅，突出目前最为广泛使用的高性能IGBT和MOSFET内容，引入新型器件碳化硅二极管;在电力电子器件参数方面，强化行业实际使用过程中需重点关注的关键参数。

关于电力电子功率变换电路拓扑，主要包括以下几个方面：

直流-直流变换电路增加高可靠性双管正激电路拓扑。

逆变电路部分弱化实际较少使用的方波逆变内容，重点突出基于PWM（脉冲宽度调制）控制技术的正弦波逆变电路。

整流电路考虑目前行业实际使用现状，在陈述基于晶闸管的相控整流基本原理的基础上，只保留单相桥式、三相桥式全控整流和有源逆变的内容，增加电力电子技术中关于功率因数的定义，加强基于Boost电路的单相功率因数校正电路的原理分析、常见控制芯片的介绍，并重点引入和加强目前关注和应用的热点：PWM整流技术及其基本原理分析。

关于交流-交流变换，传统的相控式晶闸管电路正逐渐被PWM+IGBT电路所取代，改革重点是弱化相控交流调压，取而代之以斩控式交流调压电路及控制原理。

关于软开关技术，去除理论上可行但实际上由于成本、实现复杂性及可靠性等因素很少使用的非实用化软开关实现手段，主要介绍目前广泛使用的零电压开通和零电流关断软开关技术，不再以大多教材介绍的移相全桥ZVS软开关电路为例（也可保留），重点以目前最为流行的LLC谐振变换器为例说明软开关技术的具体应用。

2.基于低成本、高可靠性的实用化电力电子功能控制电路、新型控制芯片及控制方案

在电力电子器件驱动电路、保护电路及控制电路方面，引入行业广泛使用的低成本实用化电路及新型控制芯片，去除理论上可行而从成本和可靠性等方面来讲非实用或不可行的电路方案及已经退出历史舞力台的集成控制芯片。

3.结合应用广泛性、新能源利用及节能技术的电力电子技术应用

在电力电子技术应用实例方面，从日常生活等方面来讲，应用最为广泛的是高频开关电源，如手机充电器、电视机和电脑电源、电动汽车充电桩充电模块等，其涉及的电力电子技术内容包括各种直流-直流变换电路拓扑及有源功率因数校正和同步整流技术等。近年来，太阳能光伏发电和风能发电等新能源利用技术发展迅速，其对应的电力电子电路拓扑主要是逆变技术，逆变技术的应用应该突出这方面的应用。对于交流-交流变换技术的应用，主要体现在工业广泛使用的变频器及不间断电源UPS等，应该加强这两种装置的结构组成及原理介绍。

4.增加电力电子装置闭环控制和磁性元件理论及设计内容

对于高职高专学生来讲，由于自动控制原理基于扎实的数学知识，一直是高职高专学生难以掌握的痛点;对应于电力电子技术，基于自动控制原理的电力电子装置闭环控制理论是学生理解的难点，基于工程实践，应加强工程上广泛使用的频域分析法及PID参数对电力电子装置输出性能的影响等方面的内容。

磁性元件是电力电子功率电路常见的元件，主要是作为隔离和电压变换的变压器、储能和滤波电感，只有掌握磁性元件的特性、原理及设计计算方法，才能从整体上理解、分析和设计电力电子功率电路参数。从电力电子装置的整体性出发，应增加并将学生易理解和接受的电力电子磁性元件理论及设计章节写进教材。

5.基于仿真和校企合作模式的实践教学改革

电力电子电路的分析，尤其是电力电子电路参数对电路性能的影响单纯从理论方面分析有一定的难度。工程分析及设计计算通常是结合仿真技术，用于分析电路寄生参数等对电路的影响;基于电力电子技术的工程实用研究和分析方法，引入结合MATLAB Simulink仿真的教学方法对电路的电量波形分析有一定的帮助并能加深学生对电路的理解。另外，有条件的学校可以加强与电力电子行业企业的校企合作，进一步完善实践教学手段。

四、结论

在当前各个国家推崇的新能源利用及节能倡议等环境下，电力电子技术在高職高专电气自动化专业课程中占有非常重要的地位，如何结合行业发展现状进行教学，让学生学习的知识紧跟行业发展现状并学以致用有着非常重要的意义。本文在分析电力电子发展现状和目前教材及教学存在的问题，提出了改革思路和建议，对高职高专和本科阶段的电力电子技术教学有一定的借鉴和参考意义。

责任编辑 何丽华