“Buck斬波電路”實驗教學改革探索

史敬灼

(河南科技大學 電氣工程學院，河南 洛陽 471023)

0 引言

作為電氣工程及其自動化專業的一門專業基礎課，“電力電子技術”課程教學內容與工程實際聯系緊密。課程實驗是“電力電子技術”課程教學的一部分，適應于新工科人才培養要求和不斷升級的產業人才需求。“電力電子技術”課程實驗的培養目標不僅是驗證課堂所學、掌握電力電子技術領域的基本實踐技能，更要培養學生運用所學知識來發現問題、分析問題和解決問題的能力，更加注重學思踐結合、知行統一，切實增強學生勇于探索的創新精神、善于解決電力電子工程問題的實踐能力[1～3]。

為了提高實踐能力培養效能，更好地實現課程實驗教學目標，本文對“電力電子技術”課程的實驗教學與理論教學進行一體化設計，并在自制的實驗電路中設置與課程知識及能力培養目標相契合的“陷阱”，取得良好效果。本文以“Buck斬波電路”實驗為例，說明具體做法。

1 如何支撐實驗目標的達成

為支撐“電力電子技術”課程實驗教學目標的切實達成，需要對實驗模式、實驗內容及教學過程進行細致的設計。

首先，采用教師設計的“Buck斬波電路”作為實驗裝置。一方面，學生實驗從使用恒溫電烙鐵在電路板上手焊電子元件開始，隨后完成自己手焊電路板的實驗調試。另一方面，自編實驗指導書，大幅度擴充實驗預習部分的內容，給出實驗電路原理圖，細致講解電路工作原理和信號流程，引導學生在實驗預習及實驗過程中，逐漸領悟將理論知識變為實際電路的具體方法和可行途徑。

其次，為培養學生善于解決電力電子技術領域工程問題的實踐能力，要求學生在實驗過程中關注細節，不放過問題，深入思考，并用自主實驗來輔助思考或驗證所思所想。但是從學生的角度來看，多數學生雖然想去這樣做，但并不知道應該去關注什么、思考什么。為解決這一問題，需要對課程的理論教學與實驗教學進行一體化設計，也需要設計引導性的實驗步驟和選做實驗內容，甚至是故意設置“陷阱”，為學生提供可關注、可思考的對象，逐步教會學生如何關注細節、如何通過學思踐深度融合來解決工程問題。下面，以“Buck斬波電路”實驗為例說明具體做法。

2 實驗教學與理論教學融為一體

實驗所用主電路結構如圖1所示。與教材所述Buck斬波電路不同的是，圖1所示電路增加了與負載并聯的電容器C，與電感L構成LC濾波器，使實驗電路更加貼近實際應用的Buck斬波電路[4]。實驗中，直流電源電壓取為12 V，開關器件V、D分別選用功率MOSFET和肖特基二極管。

圖1 實驗所用主電路結構

電感電流連續、斷續工作模式，是Buck斬波電路課堂教學的主要內容，一般希望電路工作在電感電流連續模式，并以此作為確定電感值的依據。在實驗中，針對20 Ω/50 W電阻、R31ZY永磁直流電動機兩種負載，要求學生將圖1所示主電路中的電感器L分別取為100 μH和330 μH電感，觀察、分析電感電流及二極管陰極電壓、負載電壓、PWM控制信號的波形，并根據所測波形分析主電路工作模式及電力電子器件的開關狀態、工作過程。使用100 μH電感，學生可以明顯地觀察到電感電流斷續情況。換為330 μH電感，則可使電路工作在電感電流連續模式。

作為上述實驗內容的延伸思考，應該如何設計電感值以使電路工作于電感電流連續模式？對于圖1所示主電路結構，教材并未給出相關論述[4]。為解決這一問題，任課教師安排了一次大作業。布置作業的時間節點如圖2所示。作為課程過程考核中的一個環節，這次大作業在課程總評成績中占5+1分(百分制)。

圖2 課堂、作業、實驗的時間節點設計

這次大作業要求學生研習一份英文資料，并在研習之后完成下列題目：

圖1所示Buck斬波電路，輸入DC電源電壓E=12 V，負載為20 Ω電阻，PWM斬波頻率fs為60 kHz，占空比D在(0%,100%]范圍內連續可調。求：

(1)使電路能夠工作于“電流連續工作模式”(指電感電流連續)的電感L值；(2分)

(2)在(1)問基礎上，若要求輸出電壓的波動量不大于0.1 V，求電容C值；(1分)

(3)若取電感L值為100 uH，當占空比在什么范圍內變化時，電路可工作于“電流連續工作模式”？(2分)

(4)【選做】更換負載為實驗中使用的R31ZY永磁直流電動機，電動機空載運行，重復(1)、(3)問。(加1分)

上述英文資料分析了圖1所示主電路的工作原理，給出了電路參數設計的原則和計算公式。題目與實驗內容直接對應，給出的所有參數均為實驗過程中采用的實際參數值。根據英文資料，滿足下式時，電路工作于電流連續工作模式

(1)

式中，Ts為PWM斬波周期，頻率fs的倒數。將輸出電壓平均值Uo=DE及IL=Uo/R=Uo/20代入上式，可得

(2)

代入數據，取D=0，得使電路工作于電感電流連續工作模式的電感L值

L≥166.7μH

同樣根據英文資料及題目給出的數據，可得如下輸出電壓波動量Δuo關系式

(3)

式中，(1-D)D項在D=0.5時取為極大值，對應于輸出電壓波動量的極大值。將D=0.5及已知參數值代入上式，可得截止頻率fc≤4.93kHz。取L=166.7 μH，可得

C≤6.25μF

實際上，考慮到電容器等效電阻等分布參數的存在，電容器的容值都會遠大于上述計算值。

問(3)設定L值，求使式(2)成立的D。由式(2)可得

(4)

代入數據，可得使電路工作于電感電流連續工作模式的D值

D≥0.4

可以看出，英文資料的內容有助于幫助學生完成實驗、理解實測波形，題目解答則可直接用于實驗。

3 實驗電路中的“陷阱”

實驗電路中選用光耦芯片HCPL3140構成主電路中MOSFET的隔離驅動單元，如圖3電路原理圖中的芯片U2。U2輸入側的2腳通過電阻R11與PWM信號發生芯片U1(TL494)的輸出9/10引腳相連。實測U2-2腳波形，如圖4所示，波形下降沿存在明顯的拖尾現象。

這一現象不影響實驗電路基本功能的實現，但卻是一個值得思考的細節。為引導學生關注這一現象并思考其緣由，在實驗指導書中設置了如下選做內容：

【選做】實驗中，可以觀察到U2-2腳信號下降沿波形有明顯的“拖尾”現象。觀察U1-9腳信號波形，亦可看到類似現象。同學們可以結合U1、U2兩芯片的說明書，考慮上述現象的原因。另外，可將實驗電路中R10更換為2 kΩ、R11更換為1 kΩ，再測U2-2腳、U1-9腳信號波形。

圖3 隔離驅動電路原理圖

圖4 U2-2腳電壓波形(實測)

芯片HCPL3140、TL494的說明書表明，U2-2腳和3腳之間為一發光二級管，且2腳為二極管陽極；U1輸出級為OC(集電極開路)、OE(發射極開路)的晶體管。考慮這些芯片內部結構及圖3所示芯片外部連接關系，可得圖5所示等效電路，U1輸出級晶體管飽和導通時，U2內發光二極管導通，對應于圖4所示波形的高電平區域；當U1輸出級晶體管由飽和導通轉為截止狀態時，U1-9腳電位降低，導致U2內發光二極管退出導通狀態，開始關斷，對應圖4所示波形的下降沿。按照“電力電子技術”課程講授的知識，二極管關斷過程中，需要流過反向電流。隨著反向電流的流動，內部載流子逐漸復位，二極管才會關斷。因為此時U1輸出級晶體管已關斷，此反向電流只能經R11、R10流向地，于是在這兩個電阻上產生壓降，抬高了U2-2腳電位，導致下降沿拖尾現象。因為U1-9腳連接在R11、R10電阻之間，所以U1-9腳電壓波形也存在類似現象，但其電壓變化曲線的幅值低于U2-2腳波形，具體數值基本符合兩電阻的分壓關系。

對上述拖尾現象原因的分析過程，可以通過實測波形來輔助。首先，U2-2腳、U1-9腳電壓波形都存在拖尾現象，比較兩個波形的細節可以發現，兩者拖尾波形隨時間的變化趨勢一致、持續時間相同，表明兩個波形有關聯，來自同一原因的可能性大；比較兩者的幅值，U2-2腳拖尾波形的幅度大于U1-9腳。其次，拆下U2芯片，再測U1-9腳電壓波形，拖尾現象基本消失，表明U2芯片是導致拖尾現象的主要原因。隨后，可由圖5根據“電力電子技術”課程中器件動態過程知識來分析原因。限于篇幅，波形圖不再給出。

圖5 等效電路圖

事實上，圖3所示電路，是為了培養學生運用課程所學知識來分析問題、解決問題的能力而人為設計的一個“陷阱”，該電路的設計是不合適的。學生修改圖3電路如圖6所示，拖尾現象完全消失。

圖6 修改后的隔離驅動電路原理圖

另一方面，在“電力電子技術”課程教學內容中，既要回避深奧的半導體物理學知識，又要使學生從應用角度了解電力電子器件的工作機理，使器件的開關動態過程成為授課難點，尤其是電力二極管關斷過程中流過反向電流這一關鍵點不易被學生理解和接受，且這一反向電流也不便進行實驗驗證。圖4所示波形間接展示了二極管動態開關過程中的反向電流，為課堂相關講授內容提供了支撐。

4 能力達成度的自我評價

為將能力培養目標具體化、讓學生知道如何做，參照AACU VALUE Rubrics，針對專業特點、學生狀況和電力電子技術課程實驗的內容，制定了“電氣專業電力電子技術課程實驗能力評分規則表”，給出團隊合作、批判性思維、創新、解決問題、溝通(含書面、口頭)等五方面的評分規則。每一方面的評分規則都劃分為4分、3分、2分、1分等4個檔次，每檔均給出“如何做”的細致說明。例如，解決問題方面的部分評分規則如表1所示。

在課程實驗開始前，將上述能力評分規則表發給學生，并說明將按照該規則來評價每位學生的能力表現。在全部實驗結束時，向學生發放“電氣專業電力電子技術課程實驗評分卡(匿名)”，請每位學生給自己所在小組的每位成員評分。

5 結語

大力加強專業實踐能力培養，注重學思結合、知行統一，增強學生勇于探索的創新精神、善于解決工程問題的實踐能力，是新工科人才培養的基本要求，也是工程教育的核心內容。

本文以“電力電子技術”課程實驗“Buck斬波電路”為例，介紹了在提高實踐能力培養效能方面的一些改革嘗試。設計能力評分規則表，使學生知道自己可以怎樣做，引導學生主動培養自身能力。在實驗電路中設計“陷阱”，使實驗內容更有針對性，提高實驗過程與能力培養目標之間的契合度。(史敬灼等文)

對課程實驗內容與課堂教學內容進行一體化設計，相互支撐，不僅有利于課程教學目標的高效達成，也可以提高學生的學習效率。

實際應用表明，上述改革措施取得較好效果，但還需在實踐中不斷改進。