“电力电子技术”课程教学应用研究

　电气工程领域口径宽，知识更新快，相对于其他学科，理论与实践的教学要求较高。教学模式的改革可以在不大幅改动当前教学内容与课时的前提下，改进授课方式与考察方式，达到提高学生学习效果的目的。本文对“电力电子技术”课程教学模式进行探索，研究了如何提炼教学的技术路线与关键问题，以更好帮助学生紧密联系知识点与授课内
容。
1、“电子电子技术”课程的教学方法
以问题为导向的教学模式PBL是一种以问题为导向，以学生自主学习为主的教学模式。这种模式在工科院校的实施存在一定的挑战: 工科知识点的分散与问题的提出形成了一对矛盾; 如不能准确提炼问题，可能会导致学生对授课对象认识不够全面，从而背离最初的教学目标。所以提炼PBL模式下教学的技术路线与关键性问题十分必要。既需要让学生对提出的问题一目了然，抓住重点，又必须具有全面性。
就教学方法而言，“电力电子技术”的前接课程主要以电路直观的方式进行教学，而进入本课程学习时，要逐渐帮助学生建立起电路—模型—系统的概念。其后续课程主要注重数学描述与系统理论，故“电力电子技术”的教学在整个电气工程专业的教学中处于中间环节，起着承前启后的作用; 所以采用以问题为导向的教学模式时必须充分考虑“电力电子技术”课程的这一特殊性。
我们以图1 所示的降压式电子变换器为例。若定义开关变量d = 1 代表开关导通，d = 0 代表开关断开，则可以写出用来描述系统动态特性与静态特性的微分方程组:

需要注意的是，上式是一个非线性方程组，对于电路设计者而言，可以利用该微分方程组进行系统的建模与动态仿真; 而对于电力电子电路的初学者来说，上式不具备电路( 物理) 直观性，对理解电路工作过程及计算方法帮助十分有限。

图1 降压式电子变换器
所以在引出后续课程的分析方法之前，教师可以适当利用电路直观的方法进行电力电子电路的教学，以利于学生分析思路的衔接与转变。
2、课程教学主线分析
基于电路的分析方法可以帮助学生更好联系前接课程知识，消除对非线性开关电路的畏惧心理。本文采取了以基本电路定理( KCL 和KVL) 为主线贯穿教学过程，以下面将介绍的四种分析方法为支撑。我们通过分析方法的映射，将电力电子电路八个关键问题联系起来，如图2 所示。

图2 电力电子电路教学模式
基尔霍夫的电压定律KVL 和电流定律KCL 适用于任何电路的分析。前接课程的学习中，KCL 和KVL 主要用在连续电路量上，而电力电子分析的电路量多为断续量，例如图1 中开关T 和二极管D 联结点的电流，以及二极管、电感和电容回路的电压皆是。所以电力电子电路的分析中，KVL 和KCL 依然是最基本的分析工具。基于两个定律并且结合多轮的教学实践，本文提炼了如下四种分析方法。
1) 无源器件性质
无源器件电感的伏秒平衡和电容的安秒平衡是开关电路稳态运行的必要条件，这两个平衡关系为稳态计算提供便利。通常电感伏秒平衡可以用来进行电路稳态关系计算，而电容安秒平衡可以用于电容内部损耗与电压纹波的计算。
2) 平均化技术
平均化技术将一个周期变化量进行平均处理，用数学中时间加权的概念取变量的平均值进行计算; 平均化技术将时变波形直流化，可以简化电路的稳态与动态计算。
3) 小纹波假设
在一个相对电路时间常数很短的时间段内，如果电路变量变化不大，可以假设在这一段时间内此电路变量为恒定值; 或者用线性关系来代替指数关系。小纹波假设是一种降阶的处理方法，可以提高计算效率。
4) 小信号分析
由于电力电子电路是非线性时变系统，控制系统设计主要关注系统的小信号特性; 而在电力电子初级学习阶段，借助小信号分析法可以定性探讨系统的纹波特性，从而得到一些有利于系统计算与设计的快速结论。
3、关键问题研究
对本研究中教学模式的关键问题凝炼可以有机结合本课程常用的分析方法，有逻辑性的展开教学，帮助学生掌握电力电子电路的分析方法与手段。结合以往教学与科研实践，本研究中提炼了如下八个关键问题。
1) 换流问题
换流是开关电路独有的现象; 换流在本质上是典型的KCL 问题; 通过结合可控/不控开关的性质与KCL 定理可以使得分析过程更加直观，有助于学生举一反三。
2) 功率传输模式/滤波器模式问题
开关变换器由组合开关与滤波器组成，分析电路时不必拘泥于元件与回路，可以采用端口网络的形式进行分析。如图3 虚线所示变换器可以拆分成开关网络与LC 滤波器的接连形式。这种拆分直观地便于学生利用系统的视角，以模块化的思想理解电路结构。

图3 变换器端口网络分解
3) 电感电流纹波问题
磁元件是电力电子电路中重要的组成部分。电感的尺寸、开关频率和电感电流的纹波有直接联系。理解电感纹波问题需要掌握无源器件的性质、KVL方法和平均化技巧，这些促使电路的分析进一步工程化和实际化。
4) 运行模式问题
电感电流纹波的分析会直接引出变换器的电感电流连续模式CCM 与断续模式DCM。这两种模式导致电路的稳/暂态性能有较大区别，分析这两种运行模式需要综合运用第2 节中的技巧。对CCM 与DCM 模式下的各项指标的综合对比，可以评估学生的综合运用各种分析技巧的效果。
5) 稳态性能分析问题
电力变换器的稳态性能主要指的是输入输出的电压/电流关系、系统效率和功率因数等。平均化技术和无源器件性质是求解此类问题的关键。
6) 开关器件电压/电流应力问题
电力电子电路中，由于换流现象的存在，开关器件的电压和电流是断续的; 要分析开关器件的电压电流应力，需要综合利用KCL 和KVL 定理以及开关器件容量的选取方法。对各基本电路拓扑中开关器件电压/电流的计算和比较，也是一个关键问题。
7) 电容电压纹波与电流计算问题
大多数电力电子电路以恒压输出为主要目标，所以电容是电力电子变换电路通常采用的输出元件。电容电压的浮动和电容电荷的充放电有直接关系，通过电容输出节点的KCL 方程，再结合小信号分析法，可以得出电容中的电流与其他支路电流的关系;对充电或放电电流积分，可以得到补充或释放的电荷从而获取电容电压纹波表达式。电容电压与电流的计算对系统稳态性能的评估有重要意义。表1 概括了教学模式中的八个关键问题与对应的定理与分析方法，主要分析技术分布于关键问题之中，表明提出的关键问题具有普适性。

表1 技术路线与关键问题映射
本文提出了应用于“电力电子技术”课程教学的技术路线、关键问题及其呈现形式; 对该课程教学中的主要问题进行了剖析，对需要考察的知识点进行了梳理与探讨。分析结果表明，主要技术路线与关键问题的选择在电力电子技术教学的中起到了承前启后的作用。教学实践的评估表明，本文中提出的技术路线与关键问题对学生的初步自学与后续的深入学习提供了清晰的思路。