新時代背景下電力電子技術課程思政教學案例設計

吳文進* 江善和 李彥梅 紀娟娟 曹文君

（安慶師范大學電子工程與智能制造學院 安徽·安慶 246133）

0 引言

在2016年全國高校思想政治工作會議上，習近平總書記強調各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。這次會議一方面強調了高校思想政治工作的重要性，另一方面提出了思想政治教育工作的新方法，即要求在各個專業課的教學環節中引入思想政治教學內容。其實工科很多專業知識都有其豐富的發展背景和廣闊的產業應用前景，其中都蘊含著豐富的思想政治教育素材，如何充分發掘是當前新工科教育背景下教育教學改革的重要課題。“電力電子技術”是普通應用型本科高校自動化專業的一門專業核心課程，以我校自動化專業為例，電力電子技術課程教學學時包括理論課51學時和實驗課12學時，通過理論和實驗課程的學習，要求學生樹立嚴謹的科學作風、具備科學的邏輯思維能力、較強的計算能力和分析歸納能力，掌握電力電子電路的基本理論和基本分析方法，熟悉各開關器件的特性，熟悉各種電力變換電路的原理等[1]。

在過去的電力電子技術課程教學中，只側重于理論知識的講授，忽視了以“思政”為目標的教學內容，不能構建全員全程全方位育人的培養模式[2]。近年來，電力電子技術專業理論知識在產業技術新領域應用廣泛，可挖掘的思政教育資源豐富，本文選擇在課本第一章中的IGBT器件知識點教學過程中嘗試加入與之相聯系的思政元素，通過教學案例設計幫助學生了解我國電力電子器件技術的發展和電力電子裝置研發及其現有技術水平，觸發學生的愛國情懷，增強科技自信、文化自信和道路自信，促進學生樹立科學的人生觀和價值觀。

1 IGBT器件組成結構教學中的思政元素案例

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是由GTR（雙極型三極管）和MOSFET（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型功率半導體器件，采用電壓驅動方式工作，兼有MOSFET和GTR兩方面的優點，輸入阻抗高，導通壓降低。GTR飽和導通時，器件本身壓降低且載流密度大，但GTR屬于電流驅動型器件，需要較大驅動電流才能工作；MOSFET在開關動作時只需要很小的驅動功率，而且開關速度快，但器件本身導通壓降大且通過電流較小。綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小，飽和壓降低，載流密度大，應用范圍廣。從低壓系統到中高壓系統均可使用IGBT器件，特別是在直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域的應用極大的提高了裝置的性能。講授以上知識點時可以加入思政元素：增強學生之間團結合作意識。個體的特長往往是不相同的，不同個體進行合作，按照各自特長分工，則可以實現單一個體無法實現的更高目標。因此，對于當代大學生而言，培養團隊精神和團結合作意識非常重要。當今很多大科學工程都需要團隊密切合作，充分發揮每個團隊成員特長才能順利實現，例如我國的北斗衛星導航系統工程、神舟系列載人航天工程、中國空間站、極地科考等都需要很多方面特長專家密切協作才能完成工程任務。個體的力量是弱小的，因此只有個體與個體或者個體加入到集體當中去，發揮出與別人的合作關系，才能更易實現自身的目標，同時也能夠更好的實現在集體之中的自我價值。

2 IGBT器件特性教學中的思政元素案例

絕緣柵雙極型晶體管的基本特性分析包括靜態特性分析和開關特性分析，如圖1和圖2所示。圖1表明靜態特性包括正向阻斷區、有源區、飽和區和反向阻斷區，顯示了不同的驅動電壓UGE下輸出端電壓UCE與電流 IC的關系，在電力電子裝置中，IGBT器件一般工作在正向阻斷區和飽和區。相比較靜態特性，IGBT的開關過程更加復雜，包括開通過程和關斷過程，分析時需要分多個階段狀態進行。開通過程具體包括：開通延遲階段（td(on)），電流上升階段（tri），集射電壓uCE下降階段（tfv1和tfv2）。關斷過程具體包括：關斷延遲階段（td(off)），集射電壓上升階段（trv），集電極電流下降階段（tfi1和 tfi2）[3-6]。

圖1：靜態特性

IGBT器件的靜態特性和開關特性分析過程復雜，各階段狀態的電壓和電流變化規律均與PN結之間的寄生電阻、寄生電容和寄生電感密切相關，分析難度大，是電力電子器件章節學習中的重點、難點和痛點。由于課本教材的局限性，需要同學們在學習該知識點時查閱IGBT器件參數說明書以及半導體物理知識書籍，幫助清晰理解開關過程特性。在講授以上知識點時可以加入思政元素：只有刻苦努力，用心用功，廣泛查閱相關科技書籍資料，才能取得專業技術水平的顯著提高。專業課基本理論的學習需要有求真務實、不畏困難和精益求精的工匠精神，需要有踏實、嚴謹、耐心專注、追求卓越的優秀品質，同時也要相信自己的學習潛力。

3 IGBT器件應用教學中的思政元素案例

作為電力電子重要的主流器件之一，IGBT已經廣泛應用于常見的各種消費電子產品、家用電器、交通運輸工具、電力工程設備、可再生能源并網系統、儲能電站和智能電網等領域，如電動汽車、高鐵、逆變器、變頻器、UPS、風力發電與太陽能發電中的并網設備，應用范圍幾乎覆蓋了低壓（低于600V）、中壓（600V-1200V）和高壓（大于1200V）等各類型的設備[7]。

3.1 IGBT器件在高鐵中的應用案例

圖2：動態特性

我國的高鐵采用牽引網單相供電方式，三相110kV或者220kV等級電壓通過牽引變電所降壓為25kV，再單相供電給接觸網，由受電弓引入高鐵機車內部。以CHR1型動車組為例，在機車內部，接入的25kV單相交流電先經過車載牽引變壓器降壓為1860 V，然后再送給機車牽引變流器，其內部由IGBT器件構成的橋式主電路實現電壓（0～1400 V）和頻率（0～152Hz）均可調節的三相交流電輸出，驅動三相交流異步牽引電機工作，牽引高速列車按設定的速度運行，可見IGBT器件是實現高鐵列車起動、調速和制動過程的核心部件。

2008年，我國第一條高鐵京津城際鐵路開通，一輛8列標準動車組需要152個高等級IGBT模塊，成本達兩百萬元。當時我國不具備IGBT器件制造能力，所以每年需要向國外采購十萬個以上IGBT模塊，費用超過12億元人民幣。大功率 IGBT的制造工藝難度主要是在于隨著功率的不斷增大，對器件效率、散熱機能、材料熱膨脹和耐熱性能都提出更高要求。

高等級的 IGBT制造技術早期被德國日本等國家壟斷，例如高鐵用的IGBT主要來自日本三菱重工，電動汽車用的IGBT主要來自德國英飛凌。通過“十二五”科技攻關，2014年6月20日，世界第二條、全國首條8英寸IGBT專業芯片線在株洲中車電力機車研究所全面建成投產，它打破了國外在高端IGBT芯片技術上的壟斷，解決關鍵核心技術卡脖子問題。目前，株洲中車自主研發的生產線每年可以生產50萬個供高鐵使用的IGBT芯片，不僅可以滿足自己的需求，而且還達到出口國外的標準[8]。在講授以上知識點時可以加入思政元素：掌握核心技術的重要性。我們每一項技術的突破，都帶動了整個產業體系的升級，而每一項體系的升級，最終推動了中國制造技術走向全球。科技是第一生產力，核心技術是國之重器，是國家實力的關鍵。只有核心技術掌握在自己手中，才能夠不受制于人。作為新時代大學生，同學們要把個人的成長與國家發展緊密聯系在一起，堅守初心使命，刻苦學習專業知識，頑強拼搏，勇攀科技高峰，擔負起民族復興和國家富強的歷史重任。

3.2 IGBT器件在新能源發電中的應用案例

太陽能發電系統是將光伏電池陣列輸出的直流電轉化成常規電氣設備所需要的50Hz交流電，可分為獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統，兩種系統中光伏逆變器都是主要設備，而組成光伏逆變器的核心器件就是IGBT。風力發電系統是由風力驅動發電裝置槳葉旋轉，旋轉的槳葉再帶動發電機（主要有：異步發電機、同步發電機、永磁式發電機和無刷雙饋發電機）工作輸出電能。為確保風力發電機可在大范圍的風速變化時保持高效運行，風力發電機系統中需要裝設由發電機側變換器與電網側變換器組成的高性能的電力電子變換器，IGBT是構成該電力電子變換器的核心器件。

高性能IGBT制造技術的自主產業化，推動了我國新能源發電技術的進一步發展。國家能源局發布全國電力工業統計數據顯示，2020年全國風電新增裝機容量7167萬千瓦，太陽能發電新增裝機容量4820萬千瓦。截止2020年底，我國風力發電累計裝機28153萬千瓦，太陽能發電累計裝機25343萬千瓦，規模均居世界第一位。在講授以上知識點時可以加入思政元素：我國已經制定了2030年“碳達峰”和2060年“碳中和”的總目標，任務非常艱巨。目標要求建立健全綠色低碳循環發展的經濟體系，建立清潔、低碳、高效、安全的現代化能源生產和消費體系。作為新時代電氣自動化專業大學生，應該具備責任意識和使命擔當意識，更加刻苦努力學習，打扎實電力電子技術等專業課程的理論和實踐基礎，積極投身到太陽能、風能、生物質能、地熱能、核能、氫能、儲能、能源互聯網等新能源技術創新與研發工作中去，推動我國新能源技術快速突破。通過講述我國新能源產業技術發展現狀，激發學生愛國情感，培養專業學習興趣，增強民族自豪感，增強道路自信、制度自信，鼓勵學生敢于創新，勇于創新。

4 結論

本文以電力電子技術課程中 IGBT器件這一節內容為案例，深入挖掘課本理論知識點教學中蘊含的豐富思政教育資源，將專業理論知識傳授、專業技術能力培養和學生成長過程中科學價值觀人生觀塑造有效融合到電力電子技術專業課程教學中，促進專業課程思政與思政課程同向同行、協同育人，形成了全員全程全方位的育人格局，為培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人提供了堅強保障。