职业教育下“电力电子变换器”课程的探索与实践

左廷友 苏瑞 刘益民

摘  要：工科职业教育是国家发展的重要基石和“助燃剂”，国有电力装备企业的深化改革必将带动工业电气设备大发展，电力电子变换器也已成为企业科技创新的核心竞争力。以《电力电子技术》这门课程为理论基础，提出一种满足企业发展所需要的“实战型”教学模式，使学生熟悉电力电子变换器从设计到样机调试的全过程，加强工科学生的动手能力。

关键词：电力电子变换器  科技创新  实战型  全过程

中图分类号：G71          文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2021）03（a）-0233-04

Exploration and Practice of "Power Electronic Converter" Course in Vocational Education

ZUO Tingyou  SU Rui  LIU Yimin

（School of Automation， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing， Jingsu Province， 211800 China）

Abstract： Engineering vocational education is an important cornerstone and "combustion promoter" for national development. The deepening reform of state-owned power equipment enterprises will certainly drive the great development of industrial electrical equipment， and power electronic converter has also become the core competitiveness of enterprise scientific and technological innovation. Based on the theory of power electronic technology， this paper puts forward a practical teaching mode to meet the needs of enterprise development， so that students can be familiar with the whole process of power electronic converter design and prototype debugging， and promote the practical ability of engineering students.

Key Words： Power electronic converter; Technological innovation; Actual combat type; Whole process

本文提出一種“实战型”教学的思路，培养出一批具有动手能力、实践能力的应用型学生。也为其他课程教学提供一种思路和方法，在社会发展和企业改革下提高学生就业质量和岗位竞争力。

随着政府对国有电力装备企业的深化改革，以及电网企业剥离装备制造等竞争性业务的加快发展，民营电力装备企业迎来了空前的红利时代，这意味着需要更多电气类的研究型专业人才来为企业注入新鲜血液，增强企业核心竞争力。

《电力电子技术》是电气信息类专业的一门主干课程，该课程具有工程实践性强的特点[1]。“理论+仿真”的教学模式往往无法真正满足企业对于电气类人才的需求。本课程综合了数字电路技术、模拟电路技术、自动控制理论等课程内容，综合性和实践性较强。实践出真知，直接经验更易得出真理，诸多电气类学生在工作中也不难发现，书本所学的理论知识尚不足以应对实际工作时所产生的难题。因此，针对《电力电子技术》开设实践课程就显得尤为重要。电力电子技术课程旨在培养一批符合时代发展的，拥有强大实践能力和创造性的综合型应用人才[2]，丰富课堂教学中理论知识，拓展课堂教学的深度和广度[3]。本文结合本校实际情况，提出了一种涉及知识面广、将仿真与实验相结合的“电力电子变换器”课程教学体系，可以让学生在这门课中复习理论、实战学习，将理论知识与实践经验相统一。

1  工科职业教育中理论结合实践的必要性

在国有电力设备制造企业改革的红利下，大多数民营电力装备企业会抓住机遇加快研发新设备，进一步提高市场份额。电力电子变换器作为开关电源的重要组成部分，是电力装备企业涉及高新技术的核心设备，包括UPS、逆变电源、整流模块等设备。这些设备保障了电网一次设备稳定、可靠、可控地运行，为居民用电和工、商业用电提供保障。开关电源类设备也成为电力装备类企业科技创新的核心内容，研发类岗位门槛更高，所需知识储备也更多。因此对高校毕业生的要求也是越来越高，真正具备优秀实践能力和理论知识储备的学生才能成为企业所需人才。

在工科职业教育中，立足于专业特色和行业背景，明确《电力电子技术》课程设计的任务、作用，以“注重素质培养，强化实践能力”为指导思想[4]。“电力电子变换器”课程应注重理论结合实践，培养学生动手解决问题的能力，如让学生了解变换器的工作机制的同时也需要掌握其设计理念，增强学生自主学习的兴趣。强理论、重实践、感兴趣才能有助于增强学生的就业竞争力，提高学校的教学质量和就业质量，推动工科职业教育进行教法的深化改革。

2  针对课程讲授的实施

“电力电子变换器”应讲授的理论部分主要有电力电子器件、各类拓扑、PWM控制技术，本文不再赘述此部分。本文主要通过设计并制作一款后级buck变换器来演示“实战型”教学，为学生详细讲解buck变换器样机“从无到有”的全过程，再将学生按照人数划分小组，各自完成相关的设计和调试任务。

2.1 buck基本拓扑电路参数计算与仿真环节（CCM模式下）

2.1.1 参数计算步骤

图1为buck电路基本拓扑，这里需要计算的主要参数为电感量L和输出电容值C[5]。但实践操作兴趣较浓的特点，可采取先实践后理论的方法，让学生自己研究电子元件，从中发现问题并寻找答案，进而提高学生探索学习积极性[6]。

在计算之前，我们需要根据我们的设计目标预设一些参数指标，如输入电压Vin、输出电压Vo、开关频率f、负载RL、电感电流纹波ΔiL和输出电压纹波ΔuC。

电感量L和输出电容值C的计算主要依据根据伏秒平衡原理，具体的计算过程在电力电子技术的理论课程已讲述，本文不再展开，具体设计条件和参数见表1。

2.1.2 参数验证步骤

PSIM 全称Power Simulation，是专门针对电力电子电路设计的一款仿真软件。该软件各个量均为理想型，是辅助教学的良好工具。在参数计算后采用PSIM仿真的方式进行验证，可以快速、便捷的查看参数是否符合设计要求，是在元件选型和制作PCB电路板之前的一个重要步骤。

根据表1的参数，在PSIM软件下进行仿真验证，buck电路模型如图2所示，输出电压Vo波形如图3所示，电感电流iL如图4所示。

在计算参数L=1.05mH、C=70pF下，图3、图4的仿真结果输出电压Vo稳态值为70V，纹波率小于5%;电感电流iL稳态下为4A，纹波率为5%。本仿真验证了表1参数L、C的正确性。

2.2 元器件选型与绘制PCB电路板环节

2.2.1 元器件选型步骤

元器件选型可以加强学生对元器件的认识。学生对元器件的认识可能还停留在仿真電路图中的一个符号，对元器件取值与体积之间的关系毫无概念，理论计算出来的取值是否能买到也是一无所知。通过本次“实战型”课程教学就可以让学生真切地感受到元器件是什么样子的、什么叫封装、什么时候用什么样的封装、各个封装的元器件有什么不同的用途等等。

这里也需要对buck电路的驱动芯片选型，驱动芯片是没有出现在PSIM仿真软件中的，这也是只进行仿真教学的一个重要缺点。本实例buck电路的MOS管的源极连接着电感，并没有接到地。当PWM信号加在G、S两极时就不能保证VGS大于MOS管的导通阈值，因此这里需要选择一个驱动芯片对MOS管进行驱动。

根据学校实验室条件，将元器件的型号和参数归类后罗列出清单，让学生依据参数计算的结果和电路运行时元件所要承受的电压、电流值在清单中选择合适的元器件。

2.2.2 电路板绘制步骤

PCB原理图可以使用Altium Designer、Mentor pads、立创EDA等软件进行绘制，这就需要学生提前学习这些软件的使用方法，这也是作为一名电气类专业学生所必须会使用的工具之一。本教学步骤可以让学生将自己设计的电路落到“实处”，原理图生成PCB文件后，再将元器件摆放并连线后即可发到工厂打印出电路板。

本步骤是实践性最强的部分，这里需要进行多个绘制环节才能完成可打样的PCB文件，如绘制原理图库、PCB封装库、原理图、元件摆放等，这使学生也会明白为什么需要先选好封装再进行电路板的绘制。本步骤也是设计细节最多的部分：PCB板的大小、元器件摆放的位置、连接线的长短粗细、过孔的大小等等因素都会影响到电路调试的效果，这里也是需要学生多进行文献阅读和电路调试才能做好本部分内容。

本次示例教学buck电路在Altium Designer下原理图如图5所示。其中TLP250为驱动芯片;D1为TO-220封装的肖特基二极管;CN2为二极管电流测量端口，CN3为电感电流测量端口;C1、R11、R12、R21、R22为RC吸收电路，可防止二极管反向导通;PWM信号通过U1的2、3引脚输入并预留多个端口方便信号的输入和测量。需要注意的是，图5中存在两个“地”，其中一个是“GND”意为信号地，另一个是“PGND”意为功率地。

2.3 电路调试环节

电路调试是一个验证设计合理性和考查动手能力、使用仪器能力的环节，调试结果也最易受到各方面的影响，这就需要学生们在调试时做好记录。这里的设计不仅包括参数设计的合理性，还包括PCB板设计的合理性。调试环节也是最能考查和锻炼学生遇到问题时如何解决的能力，因为调试结果受到多方面影响，除了设计方面的因素还有焊接、上电时序、测量设备等因素，所以需要学生思维一定要缜密并将各方面因素都考虑到。在调试过程中使用到很多设备，如直流电源、电子负载、示波器、辅助源等，这也是电气类学生在毕业后从事相关工作所常用到的设备。如何正确使用这些设备又是需要学生学习的一项内容，这又是单一仿真教学所涉及不到的知识。

3  结语

电力电子技术的飞速发展， 正在快速改变人们的生活方式[7]。本文以buck电路为例，讲述了电力电子变换器面向职业化的“实战型”课程的全过程，可以让学生们跳出对电力电子变换器书本层面的认识，亲自绘制电路板并进行调试，这个“从无到有”的过程中涉及到的每一个知识都是可以也是值得深挖的。结合本校实验室的实际情况，这种实战型的教学模式已经逐步开始实施并在电子设计大赛中获得省级奖项。基于工科职业教育的背景，这种“实战型”教学模式就有了更明显的优势。

参考文献

[1] 陈怡，南余荣.引入启发创新模式的电力电子技术实验教学改革[J].实验技术与管理，2017，34（2）：28-30.

[2] 陈国平，秦彦军，张艳，等.以应用型本科人才培养为目标的电力电子技术教学改革与实践[J].高教学刊，2020（26）：114-117.

[3] 王凯，周圣哲，李玉浩，等.电力电子技术多元化创新型教学模式探索[J].实验室研究与探索，2019，38（7）：173-175，184.

[4] 张春慧，宗哲英，王利娟，等.“电力电子技术”课程设计过程管理体系建设与研究[J].实验技术与管理， 2020，37（3）：182-184，192.

[5] 刘慧，郝雯娟，王宇.电力电子技术课程设计教学实例——BUCK电路硬件平台实现[J].电子世界，2020（14）：30-32.

[6] 鲍晶晶，麦强，卞建勇.高职院校电力电子技术创新教育研究[J].变压器，2020，57（10）：88.

[7] 毕大强，郭瑞光，陈洪涛.电力电子与电力传动DSP-HIL教学实验平台设计[J].实验技术与管理，2019，36（1）：226-229.