推理教學法在電力電子技術課程中的應用研究

曹珍貫

(安徽理工大學 電氣與工程學院，安徽 淮南 232001)

電力電子技術應用十分廣泛，從人類對宇宙和大自然的探索，到國民經濟的各個領域，再到我們的衣食住行，到處都能感受到電力電子技術的存在和巨大魅力?；陔娏﹄娮蛹夹g的產品隨處可見，小到手機充電器，大到新能源發(fā)電、航空母艦電磁彈射器等，只要有電源的地方，或需要對運動進行控制的領域，都離不開電力電子技術[1]。因此，電力電子技術是一門集電氣、電子及控制于一體的綜合性基礎課程，地位舉足輕重，已成為電氣信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課。課程內容圍繞AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC四大變流電路展開，詳細介紹了各變流電路拓撲結構、工作原理、控制方法等內容，基于電力電子技術的課程背景，不難看出該課程重在培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。廣大同學一致認為，該課程知識面寬，實踐性強，十分利于提高學生的工程實踐創(chuàng)新能力，但課程學習存在一定的難度[2]。因此，從事電力電子技術課程的廣大教學工作者進行了大膽的教學探索：西安科技大學張玉峰等在進行引導型教學模式研究，效果顯著[3]；沈陽理工大學孫金根等將工程化教學模式應用于電力電子技術課程實踐中，解決課程教學中重理論輕實踐問題[4]；如何讓學生能夠由淺入深、由易到難、由此及彼地進行課程內容學習，更好地掌握課程內容，筆者將推理教學融入到電力電子教學過程中，經過多年的實踐，取得了較好的成果。本文以電力電子技術課程中DC-DC為例，介紹推理式教學的實踐過程，為廣大教學工作者提供一種教學思路。

1 推理教學實施方案

在電力電子教學中經常會遇到這樣的情景，當學生碰到復雜的電路圖或者公式時，往往產生畏難情緒，缺乏主動性思考，漸而失去學習興趣[5]。教師在授課中也為此大傷腦筋，怎么才能由淺入深，將復雜的知識點像庖丁解牛般地拆分講解，讓同學們感興趣、主動學、入心入腦。經過多年的研究和實踐，筆者發(fā)現(xiàn)推理教學方法能夠很好地解決這一問題。推理教學法就是在教學中利用簡單知識點或問題調動學生學習的積極性、主動性，從而激發(fā)學生主動思考、積極探索，最終在教師的指引下得出結論的教學方法。這是由點到面的教學過程，分為提出基本原理、進行思路分析、修改知識要素、形成新的知識點的過程，其實施流程如圖1 所示。由圖1可知，任何一個復雜的知識點都是基于一個基本原理，針對基本原理進行思路分析，進而完成針對該原理的實現(xiàn)與驗證，在此基礎上，通過增加或修改相應的知識要素，從而產生一個新的知識點，以此類推，循環(huán)反復，最終形成復雜的知識點。

圖1 推理教學實施流程

2 推理教學在DC-DC中的應用

DC-DC變流電路主要包括BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK等，其中BUCK電路是DC-DC電路中最基本的結構，在理解BUCK電路的基礎上，可通過對BUCK電路的調整，以實現(xiàn)更復雜的DC-DC電路。本節(jié)主要介紹如何利用推理教學來指導學生學習這部分知識點。

2.1 BUCK變換器教學實踐

(1)BUCK變換器電路推理實現(xiàn)。原理：BUCK變換器是DC-DC變流電路中最基本的形式，其目的是降低輸出電壓的平均值，基本原理是基于斬波原理，即將穩(wěn)定的直流電壓E，利用斬波方法變成斷續(xù)的直流電壓，在電容的濾波下得到平滑的降壓輸出Uo。

推理實現(xiàn)：基于上述原理，利用開關器件對直流輸入電壓進行通斷控制，得到如圖2(a)的電路圖。為使負載R上電壓平滑，故加上電容C進行濾波，如圖2(b)；為使負載電流連續(xù)且脈動小，則再串聯(lián)電感L，如圖2(c)；為使開關斷開時，電感L能夠為負載提供續(xù)流通道，則必須在圖中設置續(xù)流二級管VD，最終實現(xiàn)了完整的BUCK電路圖，如圖2(d)。圖中開關可采用IGBT來替代，通過控制IGBT的通斷時間，便可控制輸出直流電壓的大小。

圖2 BUCK電路推理過程示意圖

上述推理方面還原了BUCK斬波電路的實現(xiàn)過程，下面利用推理方法來計算輸出電壓的表達式。

(2)BUCK變換器輸出電壓表達式推理實現(xiàn)。知識點：其基本知識點為電感電壓的伏秒平衡特性。具體描述為：穩(wěn)態(tài)條件下，理想開關變換器中的電感電壓必然周期重復，由于每個周期中電感的儲能為零，并且電感電流保持恒定，因此每個開關周期中電感電壓的積分恒為零，即

(式1)

推理實現(xiàn)：BUCK變換電路中，電感L為緩沖元件，開關前電感電壓為E- Uo，開通時間為Ton，開關斷開后，電感電壓等于輸出電壓為Uo，斷開時間為Toff，根據(jù)電感的伏秒平衡特性，可得

(E-Uo)*Ton=Uo*Toff

(式2)

設a為導通占空比，即a=Ton/T，最終可得到輸出電壓的表達式為

UO=a*E

(式3)

因此不難看出，利用推理方法在基本知識點或原理的基礎上，能夠快速、簡單地學習復雜的知識點，通俗易懂，印象深刻。

2.2 BOOST變換器教學實踐

(1)BOOST變換器電路推理實現(xiàn)。通過上節(jié)的介紹，根據(jù)斬波原理實現(xiàn)了BUCK電路的實現(xiàn)，而BOOST是升壓電路，常用的升壓方法有電容泵升、電感升壓、變壓器升壓等，從電路的復雜和帶載能力來說，常選用電感升壓方法。

知識點：電感電壓和流過的電流變化率有關，其公式如式4所示。當電感的感應電壓與電源電壓進行順向串連時，則能夠實現(xiàn)升壓功能。

V(t)=L*di(t)/dt

(式4)

推理實現(xiàn)：在電源側串入一個電感L，輸出電壓為輸入電壓與電感電壓之和，其電路如圖3(a)所示。電感升壓的前提必須是流過電感的電流是變化的，因此必須給電感提供充放電回路，為此在圖中引入一個開關，如圖3(b)所示。當開關閉合時，電源給電感充電，當開關斷開時，電源和電感串聯(lián)在一起給負載供電，電容C起穩(wěn)定負載電壓作用。在圖3(b)中，當開關閉合時，一方面電感L充電，另一方面電容放電會通過開關形成短路。為防止這一現(xiàn)象出現(xiàn)，必須阻止電容電流流過開關，因此在電容與開關之間加一二極VD管，阻斷電容向反方向放電，因此形成電路如圖3(c)所示。至此，一個完整的BOOST電路實現(xiàn)了。通過上述推理，同學很容易理解該電路的形成過程。

圖3 BOOST電路推理過程示意圖

(2)BOOST變換器電壓表達式推理實現(xiàn)。知識點：知識點為電感電壓的伏秒平衡特性。

推理實現(xiàn)：同理，可根據(jù)電感電壓的伏秒平衡特性來推導BOOST輸出電壓的表達式，電感L作為BOOST電路的緩沖元件，開關導通時電感電壓為E，時間為Ton，開關斷開后電感電壓為Uo-E，根據(jù)電感的伏秒平衡特性，可得

Uin*Ton=(Uin-Uout)*Toff

(式5)

令a=Ton/T，最終可得到輸出電壓的表達式為

(式6)

2.3 BUCK-BOOST斬波電路實現(xiàn)

(1)BUCK-BOOST變換器電路推理實現(xiàn)。知識點：BUCK-BOOST斬波電路既能實現(xiàn)降壓，又能實現(xiàn)升壓。根據(jù)式4可知，電感兩端的電壓和電流的變化率有關，當流過電感電流變化率較大時，電感兩端的電壓可升至電源電壓之上，當電流變化率較小時，電感兩端電壓較小，可低于電源電壓之下。

推理實現(xiàn)：因此根據(jù)這一原理，可直接將電感與負載并聯(lián)，由電感給負載提供能量，電源給電感提供能量，為使流過電感的電流發(fā)生變化，在電源與電感之間串入一個開關，如圖4(a)所示。在圖a中可以看出，當電感給負載供電時，負載及電容C兩端的電壓為下正上負，當開關閉合后，電源一方面給電感充電，一方面和電容順向串聯(lián)，造成短路。為解決這一問題，可在電源與電容之間串入一反向二極管VD，因此BUCK-BOOST最終電路如圖b所示。

圖4 BUCK-BOOST電路推理過程示意圖

(2)BUCK-BOOST變換器電壓表達式推理實現(xiàn)。知識點：知識點為電感電壓的伏秒平衡特性。

推理實現(xiàn)：BUCK-BOOST電路中，緩沖元件也為電感L，在開關處于通態(tài)時，電感電壓為E，當開關處理斷態(tài)期間，電感電壓為-Uo，根據(jù)電感的伏秒平衡特性，可得

E*Ton=(UO-E)*Toff

(式7)

最終可得到輸出電壓的表達式為

(式8)

不難看出，當0<α<1/2時為降壓，1/2<α<1時為升壓，故該電路叫升降壓電路。

3 教學效果

本文通過三個基本的DC-DC電路，介紹了三種電路的推理教學過程，包括電路的形成、輸出電壓表達式的計算等。可以看出，通過推理式教學，三種DC-DC電路都是基于基本的知識點和原理，在實現(xiàn)基礎上進行分析與推理，并不斷修改完善，得出最終電路。同時，利用電感的伏秒平衡特性，輕松地推導出了輸出電壓的表達式。筆者在長期的教學實踐中，將推理應用于電力電子技術教學中，取得了較好的教學效果，課程整體達成度逐年提升。自動化專業(yè)18級、19級電力電子課程達成情況如表1所示。通過表1可以看出，課程的三個教學目標中，目標1、目標2的達成情況為2019級遠超2018級，目標3的達成情況為2019級偏低。經分析，主要原因在于2019級的學生實驗打分采用新的評分標準，從實驗報告與實驗過程來看，總體實驗效果較18級有質的飛躍。

表1 課程達成情況表

4 結語

本文詳細介紹了推理教學的實施方案與流程，并以三個基本的DC-DC電路為例，演示了從基本原理到復雜知識點的推理教學過程，包括電路的實現(xiàn)、輸入輸出的推導，使同學們能夠由點到面、由淺入深、復雜問題簡單化地輕松學習。筆者將推理教學法應用于電力電子技術課程教學中去，實踐表明，課程教學目標達成度有質的飛躍，取得了較好的效果。