推理教学法在电力电子技术课程中的应用研究

曹珍贯

(安徽理工大学 电气与工程学院，安徽 淮南 232001)

电力电子技术应用十分广泛，从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。基于电力电子技术的产品随处可见，小到手机充电器，大到新能源发电、航空母舰电磁弹射器等，只要有电源的地方，或需要对运动进行控制的领域，都离不开电力电子技术[1]。因此，电力电子技术是一门集电气、电子及控制于一体的综合性基础课程，地位举足轻重，已成为电气信息类专业的一门重要的专业基础课。课程内容围绕AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC四大变流电路展开，详细介绍了各变流电路拓扑结构、工作原理、控制方法等内容，基于电力电子技术的课程背景，不难看出该课程重在培养学生的实践创新能力。广大同学一致认为，该课程知识面宽，实践性强，十分利于提高学生的工程实践创新能力，但课程学习存在一定的难度[2]。因此，从事电力电子技术课程的广大教学工作者进行了大胆的教学探索：西安科技大学张玉峰等在进行引导型教学模式研究，效果显著[3]；沈阳理工大学孙金根等将工程化教学模式应用于电力电子技术课程实践中，解决课程教学中重理论轻实践问题[4]；如何让学生能够由浅入深、由易到难、由此及彼地进行课程内容学习，更好地掌握课程内容，笔者将推理教学融入到电力电子教学过程中，经过多年的实践，取得了较好的成果。本文以电力电子技术课程中DC-DC为例，介绍推理式教学的实践过程，为广大教学工作者提供一种教学思路。

1 推理教学实施方案

在电力电子教学中经常会遇到这样的情景，当学生碰到复杂的电路图或者公式时，往往产生畏难情绪，缺乏主动性思考，渐而失去学习兴趣[5]。教师在授课中也为此大伤脑筋，怎么才能由浅入深，将复杂的知识点像庖丁解牛般地拆分讲解，让同学们感兴趣、主动学、入心入脑。经过多年的研究和实践，笔者发现推理教学方法能够很好地解决这一问题。推理教学法就是在教学中利用简单知识点或问题调动学生学习的积极性、主动性，从而激发学生主动思考、积极探索，最终在教师的指引下得出结论的教学方法。这是由点到面的教学过程，分为提出基本原理、进行思路分析、修改知识要素、形成新的知识点的过程，其实施流程如图1 所示。由图1可知，任何一个复杂的知识点都是基于一个基本原理，针对基本原理进行思路分析，进而完成针对该原理的实现与验证，在此基础上，通过增加或修改相应的知识要素，从而产生一个新的知识点，以此类推，循环反复，最终形成复杂的知识点。

图1 推理教学实施流程

2 推理教学在DC-DC中的应用

DC-DC变流电路主要包括BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK等，其中BUCK电路是DC-DC电路中最基本的结构，在理解BUCK电路的基础上，可通过对BUCK电路的调整，以实现更复杂的DC-DC电路。本节主要介绍如何利用推理教学来指导学生学习这部分知识点。

2.1 BUCK变换器教学实践

(1)BUCK变换器电路推理实现。原理：BUCK变换器是DC-DC变流电路中最基本的形式，其目的是降低输出电压的平均值，基本原理是基于斩波原理，即将稳定的直流电压E，利用斩波方法变成断续的直流电压，在电容的滤波下得到平滑的降压输出Uo。

推理实现：基于上述原理，利用开关器件对直流输入电压进行通断控制，得到如图2(a)的电路图。为使负载R上电压平滑，故加上电容C进行滤波，如图2(b)；为使负载电流连续且脉动小，则再串联电感L，如图2(c)；为使开关断开时，电感L能够为负载提供续流通道，则必须在图中设置续流二级管VD，最终实现了完整的BUCK电路图，如图2(d)。图中开关可采用IGBT来替代，通过控制IGBT的通断时间，便可控制输出直流电压的大小。

图2 BUCK电路推理过程示意图

上述推理方面还原了BUCK斩波电路的实现过程，下面利用推理方法来计算输出电压的表达式。

(2)BUCK变换器输出电压表达式推理实现。知识点：其基本知识点为电感电压的伏秒平衡特性。具体描述为：稳态条件下，理想开关变换器中的电感电压必然周期重复，由于每个周期中电感的储能为零，并且电感电流保持恒定，因此每个开关周期中电感电压的积分恒为零，即

(式1)

推理实现：BUCK变换电路中，电感L为缓冲元件，开关前电感电压为E- Uo，开通时间为Ton，开关断开后，电感电压等于输出电压为Uo，断开时间为Toff，根据电感的伏秒平衡特性，可得

(E-Uo)*Ton=Uo*Toff

(式2)

设a为导通占空比，即a=Ton/T，最终可得到输出电压的表达式为

UO=a*E

(式3)

因此不难看出，利用推理方法在基本知识点或原理的基础上，能够快速、简单地学习复杂的知识点，通俗易懂，印象深刻。

2.2 BOOST变换器教学实践

(1)BOOST变换器电路推理实现。通过上节的介绍，根据斩波原理实现了BUCK电路的实现，而BOOST是升压电路，常用的升压方法有电容泵升、电感升压、变压器升压等，从电路的复杂和带载能力来说，常选用电感升压方法。

知识点：电感电压和流过的电流变化率有关，其公式如式4所示。当电感的感应电压与电源电压进行顺向串连时，则能够实现升压功能。

V(t)=L*di(t)/dt

(式4)

推理实现：在电源侧串入一个电感L，输出电压为输入电压与电感电压之和，其电路如图3(a)所示。电感升压的前提必须是流过电感的电流是变化的，因此必须给电感提供充放电回路，为此在图中引入一个开关，如图3(b)所示。当开关闭合时，电源给电感充电，当开关断开时，电源和电感串联在一起给负载供电，电容C起稳定负载电压作用。在图3(b)中，当开关闭合时，一方面电感L充电，另一方面电容放电会通过开关形成短路。为防止这一现象出现，必须阻止电容电流流过开关，因此在电容与开关之间加一二极VD管，阻断电容向反方向放电，因此形成电路如图3(c)所示。至此，一个完整的BOOST电路实现了。通过上述推理，同学很容易理解该电路的形成过程。

图3 BOOST电路推理过程示意图

(2)BOOST变换器电压表达式推理实现。知识点：知识点为电感电压的伏秒平衡特性。

推理实现：同理，可根据电感电压的伏秒平衡特性来推导BOOST输出电压的表达式，电感L作为BOOST电路的缓冲元件，开关导通时电感电压为E，时间为Ton，开关断开后电感电压为Uo-E，根据电感的伏秒平衡特性，可得

Uin*Ton=(Uin-Uout)*Toff

(式5)

令a=Ton/T，最终可得到输出电压的表达式为

(式6)

2.3 BUCK-BOOST斩波电路实现

(1)BUCK-BOOST变换器电路推理实现。知识点：BUCK-BOOST斩波电路既能实现降压，又能实现升压。根据式4可知，电感两端的电压和电流的变化率有关，当流过电感电流变化率较大时，电感两端的电压可升至电源电压之上，当电流变化率较小时，电感两端电压较小，可低于电源电压之下。

推理实现：因此根据这一原理，可直接将电感与负载并联，由电感给负载提供能量，电源给电感提供能量，为使流过电感的电流发生变化，在电源与电感之间串入一个开关，如图4(a)所示。在图a中可以看出，当电感给负载供电时，负载及电容C两端的电压为下正上负，当开关闭合后，电源一方面给电感充电，一方面和电容顺向串联，造成短路。为解决这一问题，可在电源与电容之间串入一反向二极管VD，因此BUCK-BOOST最终电路如图b所示。

图4 BUCK-BOOST电路推理过程示意图

(2)BUCK-BOOST变换器电压表达式推理实现。知识点：知识点为电感电压的伏秒平衡特性。

推理实现：BUCK-BOOST电路中，缓冲元件也为电感L，在开关处于通态时，电感电压为E，当开关处理断态期间，电感电压为-Uo，根据电感的伏秒平衡特性，可得

E*Ton=(UO-E)*Toff

(式7)

最终可得到输出电压的表达式为

(式8)

不难看出，当0<α<1/2时为降压，1/2<α<1时为升压，故该电路叫升降压电路。

3 教学效果

本文通过三个基本的DC-DC电路，介绍了三种电路的推理教学过程，包括电路的形成、输出电压表达式的计算等。可以看出，通过推理式教学，三种DC-DC电路都是基于基本的知识点和原理，在实现基础上进行分析与推理，并不断修改完善，得出最终电路。同时，利用电感的伏秒平衡特性，轻松地推导出了输出电压的表达式。笔者在长期的教学实践中，将推理应用于电力电子技术教学中，取得了较好的教学效果，课程整体达成度逐年提升。自动化专业18级、19级电力电子课程达成情况如表1所示。通过表1可以看出，课程的三个教学目标中，目标1、目标2的达成情况为2019级远超2018级，目标3的达成情况为2019级偏低。经分析，主要原因在于2019级的学生实验打分采用新的评分标准，从实验报告与实验过程来看，总体实验效果较18级有质的飞跃。

表1 课程达成情况表

4 结语

本文详细介绍了推理教学的实施方案与流程，并以三个基本的DC-DC电路为例，演示了从基本原理到复杂知识点的推理教学过程，包括电路的实现、输入输出的推导，使同学们能够由点到面、由浅入深、复杂问题简单化地轻松学习。笔者将推理教学法应用于电力电子技术课程教学中去，实践表明，课程教学目标达成度有质的飞跃，取得了较好的效果。