全控型電力電子器件教學實驗平臺的開發

吳曉剛，周美蘭，李文娟

（哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

“電力電子技術”課程作為電氣工程學科的專業課，其內容是以電力電子器件為核心，介紹對電能進行有效變換和控制的方法與技術［1］。

目前，已有一些文章圍繞“電力電子技術”課程進行實驗教學和教學模式探討的研究，但是大都圍繞教學改革和方法進行討論［2－5］，鮮有對電力電子器件教學進行相關研究。電力電子器件可分為不可控器件，半控型器件和全控型器件。在全控型器件出現前，一直以晶閘管為代表的半控型器件及相位控制電路是電力電子技術的核心。全控型器件的出現把電力電子技術推進到一個新的發展階段。因而我們認為，在教學過程中應以全控型器件及其組成的電路為主導。

本文介紹了一種電力電子器件驅動控制及特性分析教學實驗平臺，通過課堂現場演示，為學生提供直觀的特性曲線及電力電子器件使用方法，加深學生對知識的理解和提高綜合能力。同時具有一定的可發展性，可以經過擴展后為后續教學內容提供服務。

1 實驗平臺的設計原則

根據理論與實驗教學的需要，本文給出了“電力電子驅動控制及特性分析”教學實驗平臺的設計原則。

1）教學實驗平臺的開放性

根據教學大綱對學生知識、能力、素質教學的總體要求和專業的培養目標，注重培養寬口徑應用型人才。以教學平臺的研發作為一個實驗教學項目，吸收高年級本科生參與設計與調試，使之不僅成為一個教學演示裝置，更為對電力電子技術方向有興趣的學生提供一個提升能力的機會。

2）教學實驗平臺的多功能性

采用模塊化設計結構，利用開放式的器件，使教學平臺既可以為電力電子器件部分的教學服務，又可以通過簡單擴展為后續的斬波電路、逆變電路及斬控式調壓電路等部分提供演示教學。設計時所留的擴展接口能更好的滿足多種教學的需要。

3）教學實驗平臺的可發展性

在教學平臺的研制過程中，注重培養學生綜合運用所學理論和技術，可以將其作為“電力電子技術”、“計算機控制技術”和“單片機原理與接口技術”等課程的課程設計及工程實踐的輔助工具，學生還可依托該平臺完成一些大學生創新性實驗，以此增強實踐和創新能力。

2 實驗平臺的組成

全控型電力電子器件驅動控制與性能分析教學實驗平臺主要由七部分構成，即電源處理部分、信號調理電路、單片機、驅動電路、電力電子器件、LED顯示及接口等，如圖1所示。

圖1 實驗平臺結構

1）電源處理部分由變壓器和不可控整流電路組成AC／DC電路、DC／DC電源模塊以及為單片機供電的電源管理電路三部分構成，如圖2所示。由于涉及到P－MOSFET和IGBT兩種全控型電力電子器件的驅動控制和特性演示，因此采用輸出為＋5V，＋12V，＋15V的DC／DC電源模塊。選用的XC164CM單片機由＋5V和＋2.5V兩個電源供電，因此采用TLE7469電源芯片作為單片機的電源管理電路。

圖2 電源處理電路

2）信號調理電路主要是為調節全控型電力電子器件的開關頻率和電力電子器件電流采集信號而設計的。通過頻率的調節，可以清楚地看到電力電子器件在允許開關頻率內和超出允許的范圍所表現的差異。而電流采集信號則是模擬量，可以通過限幅后輸入到單片機中。

3）單片機的功能是輸出調節后的驅動信號頻率，并將相關頻率及電流信息輸出顯示在實驗平臺的LED上。

4）驅動電路采用集成芯片和分立器件組成兩種形式，通過跳線進行選擇，主要目的是讓學生理解驅動電路的結構和作用，學會如何選擇全控型電力電子器件驅動芯片。為了進行特性演示，驅動電路的供電電源采用多路開關可選方式，可以選擇電源輸出模塊輸出的＋5V，＋12V和＋15V。

5）電力電子器件采用幾種不同封裝形式，通過跳線選擇演示實驗的器件，讓學生了解常用的電力電子器件的外形和封裝。

6）LED顯示及接口部分主要用來連接負載以及擴展其他變流電路所用。

3 實驗內容

該教學實驗平臺具有如下特點。

1）綜合性：信號處理電路、單片機與驅動電路綜合一體，其中驅動電路分別采用分立元件和集成芯片兩種形式；

2）直觀性：通過旋鈕調節驅動信號的頻率，可以觀看不同頻率下器件的開關狀態；

3）靈活性：提供了簡便可靠的接口，可以方便實驗模塊的擴展。

全控型器件基本特性主要包括靜態特性和動態特性兩部分。靜態特性可分為轉移特性和輸出特性，動態特性主要分析開通和關斷過程時間的組成及影響開關頻率的主要因素。以P－MOSFET為例，演示該部分實驗內容，向學生重點介紹全控性電力電子器件的基本特性實驗和分析方法。

P－MOSFET的轉移特性是指漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系，其特點反應的是輸入電壓和輸出電流的關系。本實驗平臺中，我們首先固定PMOSFET的漏極電壓，通過電源模塊輸出的＋5V，＋12V，＋15V電平分別為P－MOSFET的柵極提供驅動電壓UGS，通過單片機采集當前電流傳感器ACS704的輸出信號，并以LED顯示結果，學生可以通過記錄實驗數據，對轉移特性曲線進行比較并分析結果。

P－MOSFET的輸出特性是指其漏極伏安特性，即P－MOSFET工作在開關狀態時，在截止區和非飽和區之間來回轉換。實驗中，我們首先將UGS固定在＋5V，實驗平臺中電源模塊可以輸出＋5V，＋12V，＋15V的電壓。通過將其施加在P－MOSFET的漏極上，觀測漏極電流ID的數值是否變化，從而判斷P－MOSFET工作的區域。

動態特性的分析演示可結合驅動控制電路的講解進行。通過標準的驅動電路對P－MOSFET施加驅動信號，則在P－MOSFET輸出端得到如圖3所示的波形，將該波形與教科書中P－MOSFET開關過程波形對比，向學生講解影響P－MOSFET開關速度的主要因素。

圖3 P－MOSFET動態特性及驅動控制波形

通過以上實驗步驟，可以使學生對P－MOSFET的特性和驅動控制有了直觀的了解，配合對該部分理論內容的講解，對學生深入理解該部分知識有著一定的促進作用。

4 實驗平臺的特色

1）加深學生對電力電子器件的理解

“電力電子技術”課程作為電氣工程專業重要的專業平臺課。該實驗平臺的開發加深學生對電力電子器件的理解，加強學生對理論知識的應用。

2）提高參與研制的學生分析和設計能力

該教學實驗平臺的研制，涉及到電氣工程專業的電子技術、自動控制原理、單片機原理及應用和計算機控制技術等課程。在研制的過程中，吸收高年級學生參與設計調試工作，可以使學生更深一步掌握模擬電子技術和數字電子技術的知識、熟悉單片機的使用方法。

3）作為一個基礎平臺，能為后續教學內容服務

電力電子器件作為電力電子技術的基礎，該實驗平臺具有良好的可擴展性，經過擴展后可以為電力電子技術中的斬波電路、逆變電路及斬控式調壓電路的教學提供服務。同時也可作為“單片機原理與接口技術”和“計算機控制技術”等課程的課程設計提供一定的平臺服務。

5 結語

電力電子器件驅動控制與特性分析教學實驗平臺主要承擔了我校“電力電子技術”課程中電力電子器件部分的理論和實驗教學，通過對學生問卷調查，獲得了良好的教學效果。同時被部分教師用在了“單片機原理及接口技術”課程的教學中。該實驗平臺還為電力電子與電力傳動方向的低年級本科生提供了認識實習的條件。參與該平臺研制的高年級學生，極大地提高了自身的工程實踐能力。

［1］王兆安，黃俊.電力電子技術（第4版）［M］.北京：機械工業出版社，2000

［2］李秀娟，劉偉.“電力電子技術”課程改革思考［J］.南京：電氣電子教學學報，2009，31（6）：30－31

［3］程瓊，鄭建勇，廖冬初.“電力電子技術”課程改革新探討［J］.南京：電氣電子教學學報，2009，31（2）：13－14

［4］趙凱岐，蘭海，杜春洋.電力電子技術雙環節實驗教學新方法［J］.南京：電氣電子教學學報，2009，31（3）：73－74

［5］張慧，秦亮，劉開培，等.分布式電力電子技術虛擬實驗室的應用研究［J］.南京：電氣電子教學學報，2010，32（1）：64－66