“电力电子技术”课程启发式教学的探索与实践

李 飞，刘孟桃，张 兴，黄海宏

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引言

电力电子技术是在电子、电力与控制技术基础上发展起来的一门新兴交叉学科，被国际电工委员会(IEC)命名为电力电子学，或称为电力电子技术。自20世纪80年代以来，电力电子技术已逐步渗透到国民经济各领域，并取得了迅速的发展。

作为电气工程及其自动化、自动化或相关本科专业的一门重要的专业基础课，“电力电子技术”课程讲述了电力电子器件、电力电子电路及变流技术的基础理论、基本概念和基本分析方法，为后续专业课程的学习和电力电子技术的研究与应用打下良好的基础[1]。

对于本科生而言，“电力电子技术”课程的主要内容是介绍电力电子技术的基础理论，同时也应反映当今电力电子技术的应用，而如何通过有限的课时让学生理解这些内容并不是一件简单的事情，如果想进一步让学生掌握电力电子技术知识点背后的思路、方法、规律，进而能举一反三，则更是难上加难之事。

对于上述“电力电子技术”教学中的难关，本文将引进启发式教学对其进行攻克，来提高学生对知识点的理解和掌握能力。启发式教学就是根据教学目的、内容、学生的知识水平和知识规律，运用各种教学手段，采用启发诱导办法传授知识、培养能力，使学生积极主动地学习，以促进身心发展。启发式教学不仅是教学方法，更是一种教学思想，是教学原则和教学观。而本文针对“电力电子技术”课程的启发式教学方法为：在教学过程融入提出问题、改进、再提出问题、再改进这样逐步深入学习的过程。这种通过经历问题的解决过程，能激发学生的自主学习热情，提高学习兴趣；通过对解决问题的方法的探索，可以激发学生的创造热情，培养创新能力。在此基础上，学生就可以结合自己学过的知识和学习过程中所掌握的关于电力电子方面的学习方法和思想做到举一反三，进而进行自主学习，也让电力电子教学中课时少而内容多的的问题得到改善。

1 启发式教学与“电力电子技术”课程

古人曰：“学起于思，思源于疑。小疑则小进，大疑则大进。”可见从古开始人们便发现生疑、发问的重要性，学习、思维和进步都是从发问开始，因而整个教学过程如果结合提出问题进行便会有一番新的天地。所以本文针对“电力电子技术”课程特点，提出采用启发式教学方法进行知识点的讲解。虽然启发式教学的优点甚是明显，但我们也要着眼于它的可实施性，如何让它顺利地应用于“电力电子技术”教学中去才是重中之重。将启发式教学方法应用到“电力电子技术”课程中应该注意以下技巧：

(1)关于引导学生提出问题方面：提出的问题切入点要贴合课程内容，并且易于学生想到；问题的提出要有梯度性、连贯性以及开放性。

(2)关于引导学生分析问题方面：要引导学生通过自主学习、探索求知或和同学们交流讨论，产生不同思想碰撞。

(3)关于解决问题方面：引导学生择最优解决问题的方法，并补充好重难点概念；做好评价总结，注意新问题的产生，以引导学生进一步的思考[2]。

“电力电子技术”课程的教材及授课安排中，多数通常是直接给出最终的结论或者解决方案，诸如电路拓扑等，然后加以分析、推演来证明结论的正确性[3]。该教学方法虽然可以完成知识点的教授，但不利于学生对于知识的扩展和应用。故本文以软开关变换器为例，讲授“电力电子技术”课程的启发式教学方法[4]。本文所讲的启发式教学注重引导学生自主发现、思考并解决问题：首先从软开关变换器的特定功能的实际需要出发，提出可能实现这一特定功能的解决思路，然后通过分析、比较、改进，最终推演出比较完善的软开关变换器的拓扑结构。

2 教学案例

以软开关变换器拓扑及其改进为例，首先介绍硬开关的概念，根据硬开关所存在的损耗问题，再引入软开关的概念和意义，然后再根据如何实现BOOST变换器的零电压开通，引出准谐振软开关电路，由于此类拓扑无法实现PWM控制，故改进成开关PWM变换器，但又发现其存在损耗和开关管耐压的问题，进一步改进为零转换PWM变换器，此种引导学生一步一步提出问题、思考问题、改进问题的过程，即启发式教学应用于“电力电子技术”课程中的过程，下面将仔细阐述。

以BOOST变换器为例进行分析，引入软开关的概念，并引导学生讨论如何实现其软开关？

首先对BOOST变换器电路进行等效简化。对变换器做如下假设后，可将BOOST变换器电路简化成如图1所示结构：

图1 BOOST变换器电路简化拓扑

(1)BOOST电路中的输入电感和输入电压可以看成一个电流为Ii的恒流源；

(2)BOOST电路中输出电容足够大可以看成一个电压为Uo的恒压源。

对于上述BOOST变换器电路中存在的开关管而言，电流和电压有交叠区，会产生损耗，对于硬开关的开通过程，怎样消除损耗呢？

引导学生进行思考：如果使开关开通(关断)前电压(电流)先降为零，这样就消除了电压与电流的交叠区从而可以实现无损耗的软开关过程，如图2所示，即零电压开通。

图2 零电压开通过程

而对于BOOST变换器，如何实现零电压开通呢？通过已学内容学生可知：LC谐振电路可以使得电压和电流相位错开，避免重叠造成的谐振，故开关管开通时刻，引入谐振电路可以使开关管电压反向，二极管导通，将开关管电压钳位于零，从而实现零电出回路，与电容C构成LC谐振回路，称为准谐振软开关电路，如图3所示。

图3 准谐振软开关电路

对该电路工作过程进行分析后，总结并提示学生此种拓扑存在以下缺点：L，C参数决定关断时间，无法调节。只能通过导通时间调节来改变输出电压，即使用PFM调制。

针对上述缺点，如何改进准谐振软开关电路进行克服呢？即如何将PFM调制转换成PWM调制。

引导学生进行思考：若可以控制谐振发生时刻，且使谐振只发生在开关管导通之前一小段时间，则可以实现关断时间的调整，从而再实现PWM调制。具体实现方式如下：

引入辅助开关管VTS1：VTS1导通时，将电容C两端电压UC箝位在U0，电路无法谐振；VTS1关断时，电路可以发生谐振。辅助开关的加入，控制谐振开始时刻，同时此时所设计的LC电路谐振周期很短，谐振过程时间可以忽略不计，此时电路可以实现PWM调制，如图4，即零开关PWM变换器。

图4 零开关PWM变换器

进一步的对该电路工作过程进行分析，总结并提示学生零开关PWM变换器存在以下不足：

(1)谐振电感串联在主功率回路中，损耗较大；

(2)谐振电容两端的峰值电压依然较高，增加了对开关器件耐压的要求。

对于如何改进零开关PWM变换器的不足？从以下两个方面引导学生进行思考。

1)避免损耗和高耐压

如果谐振电流不流经负载，则会降低损耗，那么我们可以将电感并联于回路中，这样也会使电容峰值电压能钳位于输出电压，如图5所示。

图5 软开关变换器

2)实现PWM制

同样需要使用辅助开关调节关断时间。如果将辅助开关并联于电感则会使电容短路，如果将辅助开关串联于电感则可以调节关断时间，但需要给电感提供续流回路，接入二极管，得到零转换PWM变换器，如图6所示。

图6 零转换PWM变换器

最后，可以让学生自主回顾整个变换器软开关变换器拓扑逐步改进的过程，加深对启发式学习和知识点的认识。

3 结语

本文所介绍的启发式教学就是在教学中融入提出问题、改进、再提出问题、再改进这样逐步深入学习的过程，同时在这个过程中培养分析与解决问题的能力，使学生能做到举一反三、触类旁通。虽然启发式教学有很多优点，但是执行起来还是有一定的难度，不仅需要教师们对知识点要有深刻理解，能引导学生自主思考，从提出问题到解决问题，还需要学生们的配合，在教师的引领下，主动地去发现问题，并尝试结合自己学过的知识去解决问题、完善问题。经过实践，启发式教学在“电力电子技术”课程教学中取得了较佳的效果。