電力電子教學中非隔離直流變換器教學探討

摘 要:電感在電力電子電路中有著重要的作用。在非隔離直流變換器中，電感電壓、電流、磁通等在計算和分析非隔離直流變換器中電壓、電流等關系等中起著重要的作用。在實踐教學過程，發現許多學生對它們之間的關系計算和分析難于理解和掌握。本文探討將電磁感應定律的不同形式的表達式應用在非隔離直流變換器教學之中。教學實踐表明它不但拓寬了學生知識面、加深學生理解，而且取得了較好的教學效果。

關鍵詞:電磁感應定律電感電力電子變換器

中圖分類號:TM464文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(C)-0154-02

引言

電力電子技術是一門新興的交叉學科，它是一種電力變換技術，應用功率半導體器件對電能進行變換。電力電子技術已經是高等學校工科電氣信息類電氣工程及其自動化專業、自動化專業等專業的學生必修的一門專業基礎課[1～3]。而非隔離直流變換器在電力電子教學中占有著重要的地位，掌握非隔離直流變換器拓撲結構和分析方法是進一步學習各種功率變換器重要基礎。

1 電磁感應定律

加在電感L上電壓uL如圖1所示，根據電磁感應定律，我們可以得出電壓uL、電感L、磁通Φ、匝數N的關系[4]:（如圖1）

(1)

在實際應用中，采用電磁感應定律不同形式的表達式將會給分析和解決問題帶來不同的難易程度。因此，在實際應用中要做到針對不同的問題采用不同形式的表達式。而在一些電力電子教材中通常采用其中一種表達式來分析非隔離直流變換器，例如采用在開關周期內電感電流增加量等其減少量或者電感電壓伏-秒積等于零。雖然學生在中學和大學前期學習中學過電磁感應定律，但是電力電子教學中僅通過一種方法來分析非隔離直流變換器，對大多數學生來說還是難以理解。這無疑增加了學生學習難度，不利于拓寬學生知識面和提高學生分析、解決問題的能力，不利于學生靈活應用所學知識。為了使學生容易掌握非隔離直流變換器，本文從電磁感應定律不同形式的表達式如手，探討非隔離直流變換器計算過程。下面以Buck變換器工作在電感電流連續模式為例，進行探討。

2 降壓直流斬波器

Buck直流變換器電路拓撲結構和主要工作電壓、電流波形如圖2和圖3所示。其中濾波電感L的匝數為N。（如圖2）

2.1 工作原理分析

為了簡化分析，假設Buck電路中所有器件均是理想器件，并且輸出電容C很大，輸出電壓Uo在開關過程中不變，開關周期T=ton+toff，占空比D=ton/T。其主要波形圖和等效電路圖如下所示。（如圖3圖4）

模態1:開關管VT導通(在ton時間內，等效電路如圖4(a))

開關管VT導通加在電感L上電壓uL等于輸入電壓減去輸出電壓，即

(2)

電感電流iL在該電壓作用下從最小值ILmin線性增加，直到開關管VT關斷達到最大值ILmax。在該時間內，電感電流增加量為:

(3)

磁通增量為:

(4)

電感電壓伏-秒積為:

(5)

模態2:開關管VT關斷(在toff時間內，等效電路如圖4(b))

開關管VT導關斷，電感電流iL通過續流二極管VD。所以加電感L上電壓uL等于負的輸出電壓，即

(6)

電感電流在該電壓作用下從最大值ILmax線性下降，直到開關管VT開通達到最小值ILmin。在該時間內，電感電流減小量為: (7)

磁通減小為:

(8)

電感電壓伏-秒積為:

(9)

(1)根據在一個開關周期內電感電流增加量等于減少量[1～2]，由式(3)和式(7)可得:

(10)

輸入輸出電壓關系為:

(2)根據一個開關周期內磁通平衡原理[4]，由式(6)和式(8)可得:

(11)

輸入輸出電壓關系為:

(3)根據伏-秒積平衡原理[3]，由式(5)和式(7)可得:

(12)

輸入輸出電壓關系為:

可見，根據電磁感應定律的基本內容，可以通過三種不同的計算方法都可以得到相同的輸入輸出電壓關系。這不但加深了學生對電磁感應定律的理解，提高了學生解決問題的靈活性。在實際教學中將上述三種方法分別應用在其他類型非隔離直流變換器中，取得了很好的教學效果。

3 結語

非隔離直流變換器在電力電子教學中占有著重要的地位，掌握和理解非隔離直流變換器的分析方法在學習電力電子技術中有非常重要的作用。不同表達式計算非隔離直流變換器輸入輸出關系。在實際教學中將電磁感應定律三種不同表達式應用在非隔離直流變換器中，取得了很好的教學效果。

參考文獻

[1]陳堅．電力電子學[M]．北京:高等教育出版社，2002．

[2]丁道宏．電力電子技術[M]．北京:航空工業出版社，1999．

[3]周淵深．電力電子技術與Matlab仿真[M]．北京:中國電力出版社，2005．

[4]趙修科．開關電源中磁性元件[M]．遼寧科學技術出版社，2002．