面向OBE“課后再實踐”教學思路探索

楊喜軍 李詠秋 吳 雙

(上海交通大學 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室， 上海 200240)

誕生于1989年的《華盛頓協議》，是國際上最具影響力的工程教育學位互認協議，旨在通過多邊認可工程教育認證結果，實現工程學位互認，促進工程技術人員國際流動。2016年06月02日，我國工程教育正式加入《華盛頓協議》，標志著我國高等教育對外開放向前邁出了重要一步，我國工程教育質量標準實現了國際實質等效，工程教育質量保障體系得到了國際認可，工程教育質量達到了國際標準。2018年01月30日教育部發布了《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》，涵蓋普通高校本科專業目錄中全部92個本科專業類、587個專業，涉及全國高校5.6萬多個專業點，這是我國發布的第一個高等教育教學質量國家標準。為了符合該國家標準，電氣工程專業制定了以下教學方針：以國家人才需求為導向，秉承“強弱電結合、軟硬件結合、重實踐、求創新”的專業辦學特色，培養在電氣工程、自動化、電子技術、人工智能、計算機應用等領域的國內外一流公司或者研究機構從事科學研究、工程設計、運行維護、經濟管理等工作的具有國際視野的高素質創新型人才。通過畢業后5年左右的工作和進一步學習，期望畢業生能夠在價值取向、知識、能力、素質等方面實現更高水準的發展。

隨著科學和技術的不斷創新和進步，電氣工程專業涵蓋的理論知識、實踐技術越來越豐富和越來越厚重，如果仍然按照傳統的內容導向教育(CBE)，不僅課時明顯不足，而且學生也會無暇顧及，教學效果的持久性難以延長。重視實踐應該是解決CBE問題的有效途徑。鑒于此給出一種“課后再實踐”的教學思路，即在結課后，任課教師立即組織有意愿的學生成立課外研究小組，采用理論分析、仿真驗證、設計實現的技術路線，針對課堂教學中基本問題探究可以繼續研究的問題，或結合前沿性課題尋找適合本科生知識結構的子課題，開展循序漸進的研究，實踐成果導向教育(OBE)理念，力求形成成果[1-2]。作為電氣工程中的一門專業基礎課程，“電力電子技術基礎”雖然偏重基礎，但是為了履行OBE教學方針，對學生價值取向、知識、能力、素質的培養必須上不封頂。“課后再實踐”的教學思路可以連接課堂上課、大學生PRP計劃與畢業設計，起到中繼作用。將給出“電力電子技術基礎”的“課后再實踐”具體案例和形成成果情況。

1 課上先精講的教學思路

DC-DC變換器是一類重要的電力電子變換器，是學生最容易接觸和理解的一類變換器，可以作為最先講解的第一類變換器。隔離型DC-DC變換器包括逆變器、高頻變壓器和整流器，包含多種組合。耦合型DC-DC變換器包括BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、BOOST-BUCK(即Cuk)、SEPIC、ZETA六種，電壓變比分別為Uo/Ui=+d、+1/(1-d)、-d/(1-d)、-d/(1-d)、+d/(1-d)、+d/(1-d)，式中，d為功率開關的占比。這六類基本變換器的共同特點是：只使用一只功率開關。其中，BUCK、BOOST DC-DC變換器的電路簡單，且應用廣泛，是課堂講解的重點，其功率電路分別如圖1和圖2所示。

(a)電壓型負載

(b)電流型負載圖1 BUCK DC-DC變換器拓撲

在講解這部分知識時，確保師生獲得以下認識：

(1)功率開關不能工作在線性狀態，以便降低開關損耗，這是與線性電源最大的區別。

(a)電壓型負載

(b)電流型負載圖2 BOOST DC-DC變換器拓撲

(2)功率開關快速通斷切換，引起功率電路結構快速切換，由此獲得節點之間電壓與支路電流的按開關周期內求取的期望均值，即近似獲得期望的基波分量或平均值。

(3)結合剛剛學到的自動控制知識，將輸出電壓負反饋控制、PI調節器補償控制等知識引入課堂，簡要分析變換器的動態特性和靜態特性，以體現電力電子變換技術是電力學、電子學和控制理論三位一體的本質。

(4)BUCK DC-DC變換器的本質：對輸入電壓的連續斬波，輸出電壓與輸入電壓幅值相同，形成脈沖電壓序列，經由LC濾波器后，得到輸出直流電壓(電壓源輸出)，或經由LR濾波器等到輸出直流電流(電流源輸出)。該變換器輸入側電流為斷續脈沖序列，輸出電壓可以不必須采用閉環控制。

(5)BOOST DC-DC變換器的本質：對升壓電感連續充電，輸出電壓幅值為輸入電壓與電感電壓之和，形成脈沖電流序列，經由C濾波器后得到輸出直流電壓(電壓源輸出)。該變換器輸入側電感電流為可以為連續導電模式(CCM)、臨界導電模式(CRM)或斷續導電模式(DCM)，輸出電壓必須采用閉環控制。

(6)在CCM和CRM下，電感電壓存在伏秒平衡原理，輸出電解電容電流存在安秒平衡原理，據此可以推導出兩種變換器的電壓變比表達式。

(7)由于內容非?；A，需要詳解每一種變換器工作原理，至少安排2個學時。可以將重點放在電壓與電流的波形變換上，包括濾波前后波形以及主要波形平均值或有效值之間的相互關系，以此提升學生的理解能力，并能夠理解高頻波形合成原理的基本含義。

(8)鑒于BOOST DC-DC變換器具有升壓能力以及輸入電流可以在工作在CCM，因此當單相不控二極管整流器之后級聯BOOST DC-DC變換器后，即可形成單相功率因數校正器(APFC)，而BUCK DC-DC變換器不具備該能力。如果BOOST DC-DC變換器升壓能力強，相應地，單相APFC的升壓能力就強。

2 課后再實踐的教學思路

在實際應用中，BUCK DC-DC變換器可以作為小功率的電源轉換器，也可以作為大功率的等離子切割電源。占比不能過低，最低降壓能力有限，例如不適合用于1500V-15V的地鐵電源需要。BOOST DC-DC變換器可以用于單相APFC、光伏發電等應用場合，電壓變比不宜超過4～5倍，最高升壓能力有限，不適合用于低壓輸入的光伏并網逆變器。

實際中，BUCK DC-DC變換器還存在很多其它研究方向，如二次型、輸入電流連續型、更低增益降壓型、交錯結構、與BOOST DC-DC變換器級聯構成的升降壓型、電感電流DCM等。BOOST DC-DC變換器的研究方向還包括高增益升壓型、交錯結構、電感電流CRM與DCM等。

為了探索“課后再實踐”教學思路，在結課后立即呼吁感興趣的學生加入課題小組，由教師直接指導。2020年初有四位學生先后加入進來，分配給不同的研究課題。其中一位學生負責研究高增益升壓型BOOST DC-DC變換器及其派生的單相APFC。

具體操作過程簡述如下：

(1)檢索文獻和對比分析現有高增益升壓型BOOST DC-DC變換器拓撲和工作原理，尋找不足之處和解決方向；

(2)設計新型高增益升壓型BOOST DC-DC變換器，通過理論分析和仿真驗證；

(3)分析和解決這種新型高增益升壓型BOOST DC-DC變換器的實際問題，如主要元件參數不一致引起的浪涌電壓問題；

(4)設計和實現這種高增益升壓型BOOST DC-DC變換器，驗證理論分析的正確性；

(5)整理材料，提煉專利技術和書寫論文。

經過文獻檢索，該學生共計找到兩種已有高增益BOOST AC-DC變換器，分別如圖3和4所示。

圖3 單開關的開關電感型高增益BOOST AC-DC變換器

圖4 雙橋臂的開關電感型高增益BOOST AC-DC變換器

圖3的電壓變比為Uo/Ui=(1+d)/(1-d)，優點是功率開關數量少，驅動電路設計容易。圖4中電壓變比為Uo/Ui=(1+d)/(1-d)，優點是功率二極管的數量少，但是功率開關數量和驅動電路數量較多。二者采用的共同原理是電感并聯充電和串聯放電，因此支持較高輸出電壓。二者的共同不足之處在于：①兩只電感取值需要相等，否則會引起浪涌電壓問題，該問題在實際當中難以解決；②不具備級聯擴充能力，升壓能力仍然有限。

3 課后再實踐形成成果

3.1 技術成果

繼續采用電感并聯充電和串聯放電原理，提出一種高倍升壓單相AC-DC變換器拓撲，如圖5所示。圖5中，給出了三級級聯升壓結構，理論上只有最后一級結構中的功率二極管D9和D10需要采用反向快速恢復型。

圖5 新型開關電感級聯型BOOST AC-DC變換器

采用逆向思維，進而提出電感串聯充電、并聯放電設計思路，并得出兩種高倍降壓DC-DC變換器，如圖6所示。

(a)續流回饋型

(b)續流前饋型圖6 新型開關電感級聯型BUCK DC-DC變換器

圖6(a)中功率開關S1～S4采用相同的驅動脈沖，同時通斷。在電感電流工作在CCM和CRM且電感感量相等時，電壓變比為

(1)

式中，N為級聯數。

圖6(b)中功率開關是S1～S3的驅動脈沖與S4的驅動脈沖互補。在電感電流工作在CCM和CRM且電感感量相等時，電壓變比為

(2)

式中，d>N(1+N)，否則沒有物理意義。

隨后，該學生完成了以下工作：①全面分析提出的開關電感級聯型BOOST AC-DC變換器的工作原理，包括感量相等、感量不等工作于CCM及DCM四種情況，并提出一種新型控制策略用于感量不等且工作于DCM的工作模式，從理論上闡述該變換器的升壓能力與安全穩定運行條件；②小信號數學建模感量相等且工作于CCM以及感量不等且工作于DCM兩種工作模式，通過小信號建模確定輸出-輸入傳遞函數，輔助選擇仿真分析及實驗參數；③采用Matlab/Simulink中Electronics庫建立該變換器的仿真電路，對各種工作模式進行仿真驗證；④采用單周期控制原理IR1155S芯片設計和實現功能樣機，驗證了該變換器的升壓能力、功率因數校正能力以及具有安全運行可靠性。

圖7中給出了感量相等且CCM下，采用相同驅動脈沖時該變換器主要工作波形。

在相同驅動脈沖作用下，起始放電電流相等，放電過程耗時相同，意味著各電感電流谷值相同。在這種情況下，當級聯數為N時，電壓變比為

(5)

圖7 感量相同時CCM下該變換器有關工作波形

當然，在感量相同時，升壓電感L1、L2與L3也可以工作在DCM模式，當級聯數為N時，電壓變比為

(6)

式中，d1、d2分別為電感電流上升占比、電感電流下降占比。

圖8中給出了輸入電壓變化時不同工作模式下該變換器的網側功率因數。

圖8 輸入電壓變化時不同工作模式下該變換器功率因數

在設計實現方面，選取單周期控制原理和CCM控制模式的模擬控制芯片IR1155S作為控制器，非隔離型驅動器FAN3100作為驅動電路，電路原理如圖9所示，實驗平臺如圖10所示。選擇合適的元件參數，確保該變換器控制系統具有足夠的幅值裕度和相位裕度。

圖9 基于IR1155S新型變換器電路

當輸入電壓為85 V/50 Hz，期望輸出電壓為385 V，負載為600 W時，實測網側功率因數為1，輸入電流總諧波畸變率THDi=7.8%，輸入電壓、輸入電流與輸出電壓紋波實測波形如圖11所示。

圖10 開關電感級聯AC-DC變換器實驗平臺

圖11 輸入電壓、輸入電流、輸出電壓紋波實測波形

3.2 文獻成果

挖掘和形成成果是OBE理念的核心價值，在該學生主導下，歷時不到一年，以第一作者身份共計完成多項技術成果：

(1)1篇錄用核心期刊論文：開關電感型高倍升壓單相AC-DC變換器，電氣傳動，2020年10月28日錄用，稿件號為22493，其英文版已被ECCE Asia 2021錄用；

(2)1項參賽：高增益AC-DC變換器的探索研究，上海交通大學第七屆“錢學森杯”大學生課外學術科技作品競賽，申報文件正文長度為32頁，已經進入復賽；

(3)2項實審發明專利及2項實審實用新型專利。

4 結語

描述了“電力電子技術基礎”課程采用面向OBE“課后再實踐”教學思路的實踐過程，已經完成了一次循環，參加學生在價值取向、知識、能力、素質等方面得到了全面的提升。下面給出幾點心得體會：①學生成果并非先前學習結果的簡單拼合，是融匯貫通幾門課程后獲得的新生結果；②學生成果不是暫時表現，要有內化到其心靈深處的感觸；③學生成果不僅了解、知道和認識，還包括學以致用的能力，該能力對后續學習將有正反饋作用；④學生成果要強調真實存在，不是走過場，減少對外援的依賴；⑤學生成果是勞動所得，要體現創新精神和家國情懷，不能急功近利，需要得到認可；⑥以課本教學內容為依托，師生一起有效地投入，確定好研究內容和技術路線，相互信任，循序漸進地展開“課后再實踐”；⑦研究內容必須面向理論或實踐的某一方面，必須存在可以預見的新成果；⑧盡力做到一個學生指定一個研究課題，獨立完成，防止出現推諉和成果難以分隔的情況。