開關(guān)電源技術(shù)教學(xué)改革實(shí)踐與思考——以培養(yǎng)卓越電源工程師為目標(biāo)

于雁南，高柏臣，嚴(yán)繼池

(1.黑龍江科技大學(xué) 電信學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150010;2.哈爾濱紐泰克科技開發(fā)有限公司，黑龍江 哈爾濱150010)

開關(guān)電源技術(shù)是本科院校電氣工程專業(yè)的一個(gè)重要方向，開關(guān)電源技術(shù)課程是電氣工程專業(yè)主干核心課程，這門課綜合運(yùn)用了前期所學(xué)的模擬電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)、電磁場及仿真技術(shù)等課程知識(shí)，進(jìn)行開關(guān)電源電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課程，是電氣專業(yè)一門重要的專業(yè)實(shí)踐課。這門課的實(shí)踐性非常強(qiáng)，同時(shí)也是一門可以綜合提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的課程，但是現(xiàn)在開關(guān)電源方面的課程在本科教學(xué)中還處于初期階段。目前，電氣專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)之后的去向有一部分是去專門研發(fā)電源的國內(nèi)外著名企業(yè)，還有一部分是從事和電源相關(guān)的工作。學(xué)生往往只知道課堂上所學(xué)習(xí)的電源基本拓?fù)浜突靖拍睢⒐剑鴮?duì)于實(shí)際制作電源知之甚少，更談不上在一進(jìn)入工作崗位就能夠研發(fā)。我們以培養(yǎng)優(yōu)秀電源工程師為目標(biāo)，從電源工程師素質(zhì)與課程匹配、校企合作、考核形式多樣化、對(duì)學(xué)生電源技術(shù)思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、豐富的教改內(nèi)容等幾個(gè)方面闡述項(xiàng)目組對(duì)開關(guān)電源技術(shù)教學(xué)改革的探索和實(shí)施。

1 課程教學(xué)內(nèi)容與電源工程師基本技能的匹配

結(jié)合項(xiàng)目組在企業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及教研團(tuán)隊(duì)在多家電源企業(yè)的調(diào)研，現(xiàn)將開關(guān)電源技術(shù)課程的內(nèi)容和電源工程師應(yīng)該掌握的能力拆分成以下幾塊，如圖1 所示。

就目前電源工程師，尤其是研究DC/DC 開關(guān)電源的工程師來說，電路設(shè)計(jì)應(yīng)該熟練掌握最基本的幾種電路拓?fù)涞墓ぷ髟怼㈤_關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、開關(guān)電源目前常用的多種PWM 和PFC 控制芯片的控制方式、變壓器和電感的設(shè)計(jì)、各種保護(hù)電路的多種設(shè)計(jì)、閉環(huán)電路的調(diào)試方法，下面將結(jié)合教改的思路和實(shí)踐進(jìn)行分析和探討。

1.1 基本拓?fù)?/h3>

基本的拓?fù)浒˙UCK、BOOST、BUCK － BOOST、CUK、正激變換器、反激、半橋、全橋、推挽變換器。在課堂教學(xué)中應(yīng)該使學(xué)生熟練掌握其工作原理、應(yīng)用場所、電流連續(xù)和電流斷續(xù)的工作波形、拓?fù)渲械年P(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算，為學(xué)生設(shè)計(jì)基本的開關(guān)電源電路打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這是第一層次，如圖1 中所示，要求學(xué)生必須熟練掌握。尤其要著重講解基本拓?fù)銪UCK 變換器，因?yàn)楹芏嗤負(fù)浣Y(jié)構(gòu)甚至是基本拓?fù)涠伎梢杂葿UCK 變換器變換得來。如果能在課堂上重點(diǎn)講解BUCK 變換器，使學(xué)生完全掌握BUCK 變換器的原理和波形，對(duì)學(xué)生后期的開關(guān)電源學(xué)習(xí)將會(huì)大有助益。

第二層次是以基本拓?fù)錇楹诵牟糠值闹鞴β孰娐犯鞑糠謪?shù)計(jì)算，相當(dāng)于電源工程師的項(xiàng)目計(jì)算書部分，這也是電源工程師必須掌握的基本技能。由于課上時(shí)間有限，教師在課上會(huì)把拓?fù)渲嘘P(guān)鍵器件主要參數(shù)的計(jì)算方法給出，不可能把所有的參數(shù)計(jì)算一遍，所以導(dǎo)致有些學(xué)生就停滯在這個(gè)層次上，沒有在課下把所有的參數(shù)，尤其是關(guān)系到器件選型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了解決這個(gè)問題，在課程中后期安排學(xué)生團(tuán)隊(duì)制作實(shí)物開關(guān)電源，在這個(gè)過程中就必須要對(duì)每個(gè)計(jì)算參數(shù)都要反復(fù)核算，這個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)取得了較好的效果。

圖1 課程教改內(nèi)容和電源工程師掌握技能之間的關(guān)系圖

第三層次是主功率電路器件選型和調(diào)試，基本上只有參加過實(shí)物制作、電子設(shè)計(jì)大賽、實(shí)習(xí)項(xiàng)目的學(xué)生有機(jī)會(huì)達(dá)到這一步，通過實(shí)際存在的問題，就問題去解決，才會(huì)在實(shí)踐當(dāng)中結(jié)合他們上課學(xué)習(xí)的電源理論切實(shí)地體會(huì)調(diào)試電路的樂趣。

1.2 PWM 和PFC 控制芯片

這部分會(huì)通過調(diào)研報(bào)告的形式讓學(xué)生先去搜集相關(guān)PWM 和PFC 控制芯片的最新信息，先讓學(xué)生去感知、去了解現(xiàn)在出來最新的控制芯片已經(jīng)可以做到哪些功能了，此外重要的是積累總結(jié)每一個(gè)拓?fù)淇梢杂心男┛刂菩酒瑏砜刂啤Ｗ屗麄冏约喝グl(fā)現(xiàn)問題，感知問題，帶著問題和好奇，在課堂上授課教師會(huì)深入講解PWM 控制芯片的基本控制原理，通過工程項(xiàng)目詳細(xì)講解如何快速掌握一個(gè)新的控制芯片每個(gè)引腳的功能，外圍電路的設(shè)計(jì)方法、元器件參數(shù)計(jì)算方法，使學(xué)生掌握如何用控制芯片來控制變換器實(shí)現(xiàn)電能的變換，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)控制芯片與變換器的連接電路，即檢測電路和功率管的驅(qū)動(dòng)電路。在課堂上教會(huì)學(xué)生使用PWM 控制芯片數(shù)據(jù)說明書設(shè)計(jì)控制外圍電路達(dá)到層次一，在課程學(xué)時(shí)中專門安排學(xué)生學(xué)習(xí)控制芯片外圍電路的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)計(jì)算方法達(dá)到層次二，不僅讓學(xué)生掌握一種控制芯片的外圍電路設(shè)計(jì)方法，更重要的是舉一反三，在以后的設(shè)計(jì)和工作崗位上面對(duì)新的平臺(tái)和控制芯片依然可以設(shè)計(jì)出符合要求的電路。

1.3 變壓器和電感設(shè)計(jì)

授課教師在課堂教學(xué)中依據(jù)教學(xué)改革培養(yǎng)電源工程師為目標(biāo)不僅要介紹變壓器和電感的各個(gè)參數(shù)的計(jì)算方法，還會(huì)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目講授變壓器同名端和異名端在實(shí)際電源制作時(shí)的注意事項(xiàng)，變壓器的制作方法，掌握電壓器參數(shù)的測試方法和測試工具，掌握用示波器和信號(hào)發(fā)生器測試變壓器的匝比和同名端的方法。變壓器和電感的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到隔離型變換器的性能，很多學(xué)生對(duì)變壓器和電感磁路設(shè)計(jì)部分學(xué)習(xí)起來會(huì)有些困難，所以這部分將作為課程的難點(diǎn)來重點(diǎn)講解。

1.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

課堂教學(xué)中一部分學(xué)時(shí)將用來著重講解各種保護(hù)電路，包括輸入輸出過壓保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)等。將采用調(diào)研報(bào)告、啟發(fā)式和討論式等教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生去積累這些保護(hù)電路，學(xué)會(huì)在不同平臺(tái)、不同應(yīng)用場合使用不同的保護(hù)電路。

1.5 閉環(huán)電路調(diào)試

結(jié)合自動(dòng)控制原理課程的相關(guān)知識(shí)，著重講解開關(guān)電源閉環(huán)電路的設(shè)計(jì)和分析，尤其是PID 調(diào)節(jié)器的調(diào)試方法，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目演示電源工程師閉環(huán)電路調(diào)試過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)開關(guān)電源的學(xué)習(xí)興趣，通過實(shí)物和仿真軟件讓學(xué)生體驗(yàn)調(diào)試的樂趣，這部分是開關(guān)電源課程重點(diǎn)講解的內(nèi)容，要聯(lián)系實(shí)際項(xiàng)目，是課程的核心內(nèi)容。

以上5 個(gè)部分是課程的主要教學(xué)內(nèi)容塊，完全按照培養(yǎng)電源工程師的目標(biāo)下制定的教學(xué)計(jì)劃，可以做到較好地給學(xué)生從課堂到就業(yè)的過渡，而不再是到了工作崗位上感覺課堂學(xué)習(xí)的東西和實(shí)際工作聯(lián)系不緊密，什么知識(shí)什么技能都要工作之后學(xué)習(xí)。在課堂上，保證學(xué)生完全掌握第一個(gè)層次，通過課后作業(yè)、課堂實(shí)際項(xiàng)目案例、電源制作等形式的教學(xué)方法使大部分學(xué)生掌握層次二，在平時(shí)的教學(xué)中注意動(dòng)手能力強(qiáng)或者電路設(shè)計(jì)能力強(qiáng)的學(xué)生，通過帶學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、創(chuàng)新大賽，或者學(xué)生在項(xiàng)目中輔助教師擔(dān)任研發(fā)助理的工作等，使一部分學(xué)生研發(fā)能力可以快速提高，培養(yǎng)成具有基本技能的初級(jí)電源工程師［1］。

2 課程考核方式改革

考慮到開關(guān)電源課程的實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，著重考核學(xué)生掌握所學(xué)的基本電路拓?fù)淅碚摵图寄埽芫C合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去分析電路、調(diào)試和測試電路、分析電路故障及排除電路故障的能力。

2.1 制作電源實(shí)物

基于課堂系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)，獨(dú)立制作75W 單管正激變換器實(shí)物的能力考核，該正激變換器采用何種磁復(fù)位技術(shù)不限，根據(jù)班級(jí)人數(shù)，3 ～4 名同學(xué)為一個(gè)小組，明確不同分工，共同制作出一款正激變換器。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，考核的內(nèi)容也要增加當(dāng)該團(tuán)隊(duì)遇到分歧和困難的時(shí)候，是如何解決的。

2.2 課堂表現(xiàn)

主要是包括回答問題的情況，對(duì)問題分析的程度，出勤率，在平時(shí)小組討論時(shí)的表現(xiàn)和活躍程度。

2.3 科研報(bào)告、口頭匯報(bào)

通過讓學(xué)生搜索近3年國內(nèi)外開關(guān)電源、尤其是通信電源技術(shù)和產(chǎn)品的最新發(fā)展概況，增強(qiáng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力，在以后的學(xué)習(xí)和工作中掌握更新自己開關(guān)電源知識(shí)體系的能力，這是我們教學(xué)的重點(diǎn)，不只是教會(huì)學(xué)生電源的基本知識(shí)，還要教學(xué)學(xué)生學(xué)習(xí)探索開關(guān)電源領(lǐng)域的學(xué)習(xí)方法。選取部分優(yōu)秀學(xué)生的科研報(bào)告由學(xué)生濃縮成5 分鐘的口頭匯報(bào)結(jié)合PPT、實(shí)物動(dòng)畫等多媒體展示方法在上課前5 分鐘做口頭匯報(bào)分享給學(xué)生們。不僅較好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)開關(guān)電源的興趣也能夠充分鍛煉學(xué)生的公開演講能力。

2.4 作業(yè)

作業(yè)著重在學(xué)生是否是自己獨(dú)立完成的電路設(shè)計(jì)，而不是應(yīng)付了事。哪怕學(xué)生的設(shè)計(jì)內(nèi)容很少，但是只要是他們自己經(jīng)過思考得來的就要比其參考其他人的作業(yè)效果要好很多。

考核成績組成部分如表1 所示。

表1 考核成績組成

3 開關(guān)電源技術(shù)教學(xué)改革反思

結(jié)合課堂教學(xué)改革，讓學(xué)生們一邊理論學(xué)習(xí)一邊同步到學(xué)校實(shí)訓(xùn)基地鞏固學(xué)習(xí)效果進(jìn)行電源制作和電路故障排除以及電源設(shè)計(jì)，注重對(duì)學(xué)生電源技術(shù)思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)校企合作，為學(xué)生營造良好的學(xué)習(xí)氛圍，同時(shí)，每年通過大學(xué)生科研立項(xiàng)和大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、創(chuàng)新大賽充分鍛煉學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)效果，教研團(tuán)隊(duì)教師會(huì)專門跟蹤和調(diào)研學(xué)生的理論與實(shí)踐結(jié)合的效果，從而不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，更好地服務(wù)教學(xué)。通過學(xué)生全程參與大賽和項(xiàng)目的經(jīng)歷，充分挖掘?qū)W生的設(shè)計(jì)潛力和創(chuàng)新思維能力，讓學(xué)生充分享受到學(xué)習(xí)的樂趣，形成良性循環(huán)，并且可以拓展到其他科目，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)［2］。

［1］梁奇峰，廖鴻飛.基于工作任務(wù)的開關(guān)電源原理與分析教學(xué)改革［J］.職業(yè)教育研究，2012(6):88 －90.

［2］常云龍，李榮德，袁曉光，等.強(qiáng)化工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J］.高等工程教育研究，2011(4):107－110.