“电力电子技术”课程实验教学改革

史敬灼， 张亚楠

(河南科技大学 电气工程学院，河南 洛阳 471023)

0 引言

“电力电子技术”是本科电气工程及其自动化专业的一门核心课程，其教学过程包含课堂教学、课程实验、课程设计等主要环节。其中，课程实验对促进课堂讲授知识的深入理解、掌握知识实际应用技能具有重要作用[1～3]。但在改革前的教学过程中，该课程的实验在实验台上进行，学生实验中的动手操作主要是在实验台面板上接线，而电力电子器件及其驱动、控制等附属电路都隐藏在面板之后，学生无法触及、无法了解，更不可能掌握运用所学电力电子技术知识去设计实用电路、从而具备解决实际问题的能力。

为了更好地发挥课程实验在课程教学中的作用，促使学生学会、会用，促进课程教学目标的达成，我院对课程实验进行了改革。本文介绍了这一改革的具体做法。

1 实验内容设计

1.1 教师自制实验电路

采用教师设计的基本电力电子电路作为实验装置，学生实验从了解电路原理、在电路板上手焊电子元件并一步步调试电路开始。实验过程中，学生不仅可以亲手使用器件、芯片、散热片，而且可以了解将电力电子技术知识应用于实际的具体电路形式，直面具体的实际应用问题。

实验内容的设计，既要达成课程实践教学能力培养目标，又要涵盖课程知识的主要方面。本科“电力电子技术”课程的主要教学内容为四类电力电子变换电路和PWM控制技术。考虑到实验安全及现代电力电子技术应用的主流是采用全控型电力电子器件的PWM变换电路，选定下列三项实验，分别对应于电压型逆变电路、直流斩波电路、SPWM控制技术等教学内容。

(1)课程实验一：单相电压型逆变电路。

(2)课程实验二：Buck斩波电路。

(3)课程实验三：单相SPWM逆变电路。

上述三个实验使用的电力电子器件均为Power MOSFET(下文简写为MOSFET)，实验电路电源电压为12V或+/-12V。三个实验所用实验电路，不使用单片机，尽量使用基本的模拟、数字集成电路芯片及分立阻容元件进行设计，以使学生通过焊接、调试等实验过程，更全面地掌握课程理论知识的具体实现过程与细节。在课程实验之后进行的课程设计中，选择单片机控制的智能小车为设计对象，力求使学生掌握以单片机编程为手段的电力电子技术数字实现方法[4]。实验电路中，小功率阻容元件采用表贴封装，而集成电路芯片全部采用DIP封装，以适当降低对学生手焊熟练程度的要求。同时，设计专用于练习元件焊接的练手电路板，使学生能够渐进适应这种不同以往的实验模式。图1为学生在实验中焊的电路板照片。

图1 学生手焊的实验电路板照片

1.2 实验一

实验一的内容包含单相半桥、单相全桥电压型逆变电路两部分，采用180°导电控制方式。实验电路包括控制信号发生、死区发生、驱动、主电路等电路单元。实验过程中，学生在按顺序完成控制信号发生、死区发生、驱动电路单元的焊接、调试之后，先在实验电路板上完成上、下桥臂各一只MOSFET的焊接，进行单相半桥逆变电路实验。在实验步骤的设计中，要求学生更换直流侧两串联电容的容值，分别取10uF、110uF，测负载电压波形、两串联电容中点电压波形和负载电流波形，并分析其差异，考虑电容的作用和取值原则。当电容值较小时，负载电压波形有明显的下倾，要求实测下倾幅度是多少；电容中点电压波形有明显的周期性波动，要求实测波动幅度是多少。随后，请学生思考为什么会有下倾/波动？并要求学生在电阻负载、电容取为10uF情况下，用所学知识估算电压下降幅度，与实验测得数据进行对比。进一步，估算电容取为110uF情况下的电压下降幅度，并与实测数据进行对比。再进一步，对于实验电路，若要求20欧姆电阻负载情况下，负载电压下降(波动)幅度不大于0.1V，请问直流侧分压电容值应取为多少uF？

在完成不同负载情况下的单相半桥实验之后，拆下直流侧串联电容，再焊上另外两只MOSFET的焊接，进行单相全桥逆变电路实验。在实验中，除焊接、调试、测量分析各点波形之外，还要求学生根据实测负载电压波形和实际的负载参数，列写负载电路方程，推导负载电流解析表达式，估算负载电流波形形状及具体数值，并与实测波形数据进行对比。实验步骤中，设置了选做内容，供学有余力的学生参考。例如，实验电路在控制信号中加入了死区。于是，实际施加于MOSFET栅极的控制信号，高电平持续电角度略小于180°，与理想的“180°导电控制方式”有了一点差异。控制信号的这点差异，会对负载电压波形造成怎样的影响？电阻、阻感等不同负载情况下，要求学生先思考、分析，然后实测波形验证自己的分析。

1.3 实验二

实验二为Buck斩波电路，主电路中MOSFET的栅极驱动需要进行电气隔离，采用HCPL-3140芯片实现隔离与栅极驱动。实验步骤中，要求更换主电路电感值，分别使用100uH、330uH功率电感，考察不同电路参数情况下的主电路工作过程，分析电感电流连续、断续情况下的电感电流、电容电流、负载电流的流向。另外，要求使用实验一电路板，工作于全桥电路，接直流电动机负载，进行“桥式可逆斩波电路”实验；在PWM信号频率为10kHz的情况下，调节电位器改变占空比，使电动机正转、反转，观察PWM控制信号、负载电压、负载电流波形，记录占空比数据和电动机转动状态。然后，在设定PWM信号占空比为70%的情况下，调节电位器改变PWM信号频率，测负载电压、电流波形，观察并记录电动机在较低、较高PWM信号频率情况下的运行状态差异，例如运行噪声、转速平稳性等，考虑差异缘由，给出PWM频率的基本取值原则。

1.4 实验三

实验三采用调制法生成SPWM控制信号，实验内容包含单极性、双极性SPWM逆变两部分。在实际的电力电子装置中，单极性SPWM应用较少。但为了让学生较为全面地掌握PWM技术中最基本的概念、方法，保持较为开阔的思路，还是将其纳入实验内容。实验电路包含单相全桥电压型逆变主电路及驱动、信号发生、单极性SPWM控制信号发生、双极性SPWM控制信号发生等电路单元。其中，信号发生电路用来产生载波、调制波模拟信号。

实验三的实验内容，除不同负载情况下的单极性、双极性SPWM逆变电路波形、数据测量与分析之外，要求学生考察调制度小于1、大于1情况下的负载电压、负载电流波形变化。如有必要，按照实验参考资料中的“示波器的FFT功能使用方法”，使用示波器FFT功能进行频谱分析。然后，对照课堂所学，深入思考限制调制度不大于1的缘由、直流电压利用率与调制度的关系。

实验步骤中，还要求学生在实验一考察死区影响的基础上，对照教材所述“死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波”，在不同的负载情况下，观察MOSFET的栅极控制信号、主电路上下桥臂中点、负载电压、负载电流波形，考察死区对负载电压波形的影响，并注意这种影响与负载性质、负载电流方向之间的关系。

1.5 负载及电流测量

电力电子技术实验，必须连接适当的负载。对应于教材讲授内容，在实验过程中用到的负载有电阻负载、阻感负载、直流电动机负载等三类。各个实验用到的负载如表1所示。

在使用电阻负载时，需要安装散热片，如图2所示。即便如此，在实验过程中，电阻器表面温度也会有明显上升，需提醒学生注意安全。

表1 实验中用到的负载

图2 电阻负载

电力电子技术实验，也离不开电流测量。为此，选用巨磁阻效应芯片ACS70331，自制电流测量电路板(图3)，将被测电流转变为与之成比例的电压信号，用来在实验中用示波器观察、测量电流波形。电流测量电路与实验电路板及其电流变化范围相匹配，测量带宽为1MHz，满足实验所需。

图3 电流测量电路板

2 实验过程设计

2.1 实验预习

课堂讲授的理论知识，与实际应用之间，存在一段距离。不只“电力电子技术”课程如此，许多工科课程都是如此。虽然可以在课堂教学中更多联系实际，但受学时的限制，仍然难以填补理论知识与实际应用之间的缝隙。为此，大幅度扩充了实验指导书的预习部分内容，从电路框架结构讲起，按照“为什么、怎么做”的思路，细致讲述实验电路设计与工作过程，以求弥补这一缝隙，一步步培养学生的知识运用能力。

在预习内容中，当所述电路可用先修课程知识来分析或推导关系式时，要求学生这样去做，以此告知学生先修课程知识的用途及用法，引导学生在课程之间建立起联系，引导学生意识到并主动去应用已有知识来解决自己的问题。

2.2 实验前讲授

实验前，将实验电路用到的芯片、器件英文说明书(datasheet)作为参考资料发给学生。在实验指导书预习部分讲述具体电路时，要求学生阅读相关的说明书。通过阅读芯片说明书来了解芯片性能和使用注意事项、通过查阅相关数据来指导电路设计，这都是电力电子电路设计的必需步骤，是学会用“电力电子技术”课程知识来解决实际问题的必要前提。但许多学生对这些英文资料望而却步。其原因，一是不熟悉，二是受限于专业英语水平。为鼓励、引导学生正确阅读说明书，将其作为实验前讲授的一项主要内容。

为使学生习惯于阅读这些说明书，首先分别讲解典型的芯片说明书、电力电子器件说明书的篇章结构，解释各部分数据的含义与用处，例如Absolute Maximum Ratings和Recommended Operating Conditions。然后，在讲授过程中，不断离开PPT页面去查阅这些说明书来佐证讲述内容。实验前讲授的另一项内容是元件焊接相关基础知识，包括贴片元件焊接方法、有极性元件的极性识别等等。除此之外，还需对预习中的难点进行讲解。

2.3 实验过程中指导

“电力电子技术”课程实验与课堂讲授同步进行，实验在全开放实验室进行，每张实验桌均配备计算机、所需测试仪器设备、常用工具。实验所需芯片、电子元件摆放在元件盒内，学生自由取用。指定一周完成一个实验，但不限定具体的实验时间，学生自主安排课余时间进行实验。

实验过程中，不断提示学生多关注细节，多讨论，多思考为什么、怎么办。不断鼓励学生直面可能出现的问题，指出运用所学知识解决问题的过程，不仅是在积累自己的经验、深化知识理解，更是造就能力的一种主要途径，并启发、引导学生逐渐掌握定位、分析、解决问题的具体步骤和方法。从实验一到实验三，越来越多的学生尝试通过自主研学来解决自己遇到的问题。

2.4 实验报告

强调实验报告是实验过程中的重要一环，是思考实验过程，凝练、提高实验所得的关键步骤，并将实验报告作为实验考核的主要依据。为培养学生的科学研究素养，提供下列实验报告提纲。

(1)实验原理与实验电路：请论述实验内容涉及的理论知识，说明实验所用电路的结构、工作原理等。

(2)实验过程、结果与分析：请按照实验指导书给出的实验步骤，包括焊电路板，依次叙述你的实验过程、得到的波形/数据等实验结果，并进行处理、分析。鼓励同学们在实验指导书设定的实验步骤之外，自拟实验以验证自己的想法，并在报告中细致写出构思与过程与结果。

(3)实验结论：对实验过程、方法、分析结果等内容进行简单的归纳、总结，亦可写心得体会、感悟等。

有不少学生在撰写实验报告的过程中，返回实验室完善实验过程。从提交的实验报告来看，有思考，有见解，有感悟，学生确实做了一次不同以往的实验。

3 结语

《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》(教高[2019]6号)要求“引导学生多读书、深思考、善提问、勤实践”。读书、思考、提问、实践四者互为依托，相辅相成。勤实践，为深思考、善提问提供支撑，并促使学生多读书。在地方高校中，由于各种因素的限制和较长一段时期以来的习惯逐渐养成，专业实践教学往往被弱化，成为制约上述要求达成的最主要因素。

本文以加强实践教学，让学生学会、会用为直接目的，探讨了“电力电子技术”课程实验改革的具体做法。一方面，通过自行设计实验电路板和实验内容，撰写填补课堂知识与实际应用之间缝隙的实验指导书，给出引导性的实验步骤，将课程的理论教学与实践教学融为一体，将课堂知识与能力、素质培养有机融合，共同达成课程培养目标。另一方面，教师指导强调启发和授人以渔，积极引导学生进行探究式、个性化学习；将实验安排在全开放实验室进行，限定完成时间节点，不指定具体时间；提供全套实验仪器、工具和自由取用的芯片、电子元件，为学生提供自主研学的舞台。

与原有实验教学模式相比，改革后的“电力电子技术”课程实验，实验内容的研究性、综合性大大加强，挑战度显著提高，学生为完成实验所需投入的学习时间大大增加。而学生经过刻苦努力，最终完成实验、收获能力、增长素质时的喜悦与成就感，是对教师最大的鼓舞和激励。