工程案例在“電力電子技術”課程教學中的應用

東莞理工學院電子工程與智能化學院 張 志 劉 暢 唐 校 康 麗

工程案例在“電力電子技術”課程教學中的應用

東莞理工學院電子工程與智能化學院 張 志 劉 暢 唐 校 康 麗

“電力電子技術”是電氣工程及其自動化和自動化專業重要的專業基礎課程，并且是一門與實踐聯系比較緊密的課程。以培養應用型人才為目的，從教學方法、教學內容和實踐環節等方面對該課程進行了教學改革。通過對工程實踐中電力電子技術應用的典型案例進行講解，并結合電力電子技術中相關課程內容，最后通過實踐環節進行了實施，探討了教學實施的過程，完善了案例教學方法，培養了學生的興趣和實踐能力，提高了教學的效果。

案例教育； 實踐環節； LED驅動

“電力電子技術”是電氣工程及其自動化和自動化等專業的專業基礎課。它是利用電力電子器件對電能進行變換和控制的一門技術，是弱電控制強電的橋梁和紐帶，具有較強的實用性及廣泛的應用前景[1-4]。針對傳統常規課堂教學采用“填鴨式”教學方法，本文提出采用“工程案例式”教學方法，激發學生興趣和積極性。

以電力電子技術課程整流電路（AC/DC）和直直變換(DC/ DC)的教學內容為分析對象，創新教學方法，以高頻高功率隔離型發光二極管(LED)驅動電源為典型的工程教學案例[5-8]，改進教學方法，培養學生興趣和實踐能力。

1.LED驅動電源的工作原理

圖1 L E D驅動器主電路結構

圖1為兩級變換LED驅動電源拓撲結構圖。前級AC/DC部分采用升壓（BOOST）電路實現功率因數校正，工作于臨界導通模式（BCM）。通過消除升壓二極管的反向恢復損耗，功率場效應管（MOSFET）以零電流方式導通，減小開關損耗。后級DC/DC部分采用反激變換器，工作于準諧振模式，降低了MOSFET的開通損耗。

1.1 B C M升壓功率因數校正（P F C）部分的工作原理分析

圖2 B O O S T P F C工作于B C M模式

圖3 理想情況下輸入電壓和電流波形

BOOST PFC部分工作于BCM模式（如圖2所示），消除了二極管反向恢復時間，同時MOSFET以零電流方式導通，減小開關損耗。傳統BOOST PFC部分工作于連續電流導通模式（CCM），采用乘法器的方式實現有源功率因數校正，存在結構復雜且需要電壓電流雙環反饋控制。而DCM模式下輸入峰值電流自動跟隨輸入電壓，具有結構簡單，電感量小等優點，并且能消除二極管反向恢復時間，但存在開關損耗高和器件應力大等缺點。而工作于BCM模式不存在器件應力大和二極管反向恢復問題，具有最佳的綜合性能。

本案例采用無乘法器臨界導通模式來進行功率因數校正。假設輸入電壓，下面在一個開關周期內對前面升壓電路進行分析。開關管導通時，電感電流iL從零開始上升。在導通時間[0,ton]內，滿足如下關系式：

其中ip為電感電流峰值，根據式(1)可以推導峰值電流為：

在開關管關斷時間[ton,T]內，滿足如下關系式：

由圖（2）可知，電感平均電流iav滿足如下關系式：

由式（5）可知，當導通時間ton保持不變，通過改變關斷時間的方式，輸入電流與輸入電壓成線性關系，保證了輸入電壓同相位，也就實現了功率因數校正的目的（如圖3所示）。

1.2 準諧振反激變換器工作原理分析

圖4 準諧振反激變換器主電路結構

圖5 準諧振反激變換器典型波形

DC/DC部分采用單管反激拓撲（如圖4所示），工作于準諧振模式。當副邊二極管電流過零時，開關管漏級與源級電壓（uds1）開始以原邊電感和MOSFET寄生電容之間的諧振頻率振蕩，當uds1達到最低值時（如圖5所示），通過使MOSFET導通便可實現準諧振開關，降低了MOSFET的開通損耗。

2.部分關鍵元器件設計

本案例設計的60WLED驅動指標如下：

輸入電壓范圍：90～260V（40～60Hz）

DC/DC直流輸出：48V/1.3A

PFC最小工作開關頻率：58 KHz

PFC功率因數：PF≥0.95

電流諧波畸變率：THDI≤5%

DC/DC最小工作開關頻率：52KHz

整機最大效率：≥90%

2.1 升壓電感設計

由式(2)(3)可知：

根據輸入功率等于輸出功率，設PFC部分的轉換效率為η，則：

將式(7)帶入式(6)，可得最低開關頻率為：

由式(8)可推知：

2.2 變壓器設計

選擇700V的MOSFET，反激變換器輸入電壓Uo=400V，反射電為漏感尖峰電壓。考慮EMI和變壓器尺寸的影響，最小工作頻率f=52kHz，下降時間為0.8us。

初級感量為：

最大峰值電流：

初級最小匝數：

根據實際調試結果，原邊取72匝，次級匝數取12匝。

3.實驗結果

本案例需搭建60W樣機進行實驗驗證。采用FAN6921作為控制芯片，設計了一臺48V/1.3A輸出的實驗樣機，PFC部分600V的MOSFET，型號為TK10A60D。反激部分采用700V的MOSFET，型號為STP10NK70ZFP。

圖6(a)為110V交流電壓輸入且帶滿載情況下，交流輸入電壓和電流波形實驗波形，由圖可見滿載時電流畸變率僅為4.1%。由圖6(b)可見，輸入電流跟隨輸入電壓，功率因數達到0.993。

圖7(a)為220V交流電壓輸入且帶滿載情況下，交流輸入電壓、電流波形和PFC輸出直流電壓實驗波形，由圖可見，前級AC/DC輸出電壓為400V。圖7(b)為220V交流電壓輸入且帶滿載情況下，交流輸入電壓、電流波形和反激變換器輸出直流電壓實驗波形，由圖可知，輸出電壓穩定在48V。

圖6 1 1 0 V交流輸入時電壓和電流實驗波形

圖7 2 2 0 V交流輸入時電壓和電流實驗波形

4.結論

通過工程案例教學方式，培養了學生的興趣，鍛煉了學生解決實踐技術問題的能力，增強了對本專業知識學習的積極性，同時也提高了學生的專業技術能力。如何選擇更具典型的工程案例來進一步優化教學過程，仍需更深入的探索。將工程案例引入到“電力電子技術”課程教學中，提高了教學質量，是對“電力電子技術”課程教學方法的一種有意義的探索。

[1]黃俊,王兆安．電力電子技術[M]．北京：機械工業出版社,2000．

[2]李鵬飛,工程案例在“電力電子技術”課堂教學中的應用探索[J]．中國電力教育，2011(5)：101-102．

[3]劉少克．“電力電子技術”課堂的案例式教學[J]．電氣電子教學學報,2014(6)：56-58．

[4]王曉剛．基于案例教學法的“電力電子技術”教學改革[J]．中國電力教育,2013(2)：77-78．

廣東省公益研究與能力建設專項（2015A010106018），廣東省教育廳優秀青年教師項目（YQ2015156）。

張志（1981-），男，湖南華容人，博士后，副教授，研究方向為電力電子裝置系統及其控制。