“电力电子技术”课程斩波电路教学方法研究

薛荣辉

（西安航空学院 电子工程学院，陕西 西安 710077）

面对不可再生能源危机，人们致力于新能源的发展，电力电子装置是电力变换的核心部件，“电力电子技术”课程是电气工程及其自动化专业的专业基础课程，对于培养方案中培养目标的实现起到重要的支撑作用。课程主要研究电力电子技术在工程技术领域中应用。课程的教学目标是使学生通过课程学习，掌握课程的基本理论、知识和技能，也就是将课程理论知识与培养学生的能力素质结合，使学生获得分析解决复杂问题的综合能力和科技创新思维，为学生建构基础课和学科专业课、在校学习和毕业后从事工程技术工作的桥梁。OBE理念是以学生的学习成果为导向，逆向确定教学计划和教学环节，把学生作为教学的中心，教师指导学生实现预期的学习目标。省级一流课程“电力电子技术”课程组老师深刻认识到本课程是这个专业人才培养的核心要素，课程质量将会直接决定人才培养的质量。依托多年的教学经验课程组开展了多维度教学创新研究工作，积累了大量富有成效的有益经验。电力电子技术发展日新月异，新内容、新概念、新思想层出不穷，在教学工作中需要把握开拓学生的思维，掌握分析问题的能力。电力电子技术课程教学引入MATLAB/Simulink仿真软件、PSIM仿真软件，应用计算机仿真技术结合FLASH动画演示，结合实验台接线调试，使“电力电子技术”这门应用性强、工程性强的课程，通过动画模拟演示、仿真演示、实验台操作、示波器观察等方式，使学生能够多方面多层次的建立电力电子技术课程体系。

人们的生活离不开电，无论是家庭生活还是工业生产交通运输每时每刻都需要电能，但是电源提供电能往往不能满足负载的要求，就需要电力电子装置实现电能的转换，微电网技术、新能源发电、电动车的兴起，使得电力电子技术应用更为重要，电力电子技术就是将“粗电”转换为“精电”的技术，如果没有电力电子技术很难想象人们的生活如何继续，电力电子技术为人们的生活提供了基本的电能保障。电力电子技术是电气工程及其自动化和自动化专业的专业课程，主要包括电力电子器件的制造技术和四种变流技术，课程设计概念多，电路多，学生在学习过程中不能很好地理解分析电路。

“授人以鱼，不如授之以渔”，大学教育不同于高中教育，通过知识的传授培养学生科学的思维法和能力，触类旁通，提高学生的学习能力和解决问题的能力。在教学中致力打造有效教学，以学生为中心，热爱学生，尊重学生，关注学生的进步和发展，教师要有“对象”意识。确立学生的主体地位，树立“一切为了学生的发展”的思想。精心设计课堂，教学不是跟着感觉走，也不是在最短的时间教最多的内容，取决于在单位时间内学生学习的结果与学习过程综合考虑的结果，在备课时需要准备充分，设计教学环节-互动环节。鼓励学生提出问题，教学相长，需要教与学结合，鼓励学生积极思考，提出问题，不同的见解，给学生思考的时间。由当今电力电子技术的应用，引入课堂思政，培养学生爱国情怀。

传统教学是以老师为中心，学生跟着老师的步伐学习，造成学习积极性不高，对于知识点不能拓展，灵活应用。本文研究以降压斩波电路的课堂设计和教学为例，说明课程改革的做法和成效。

传统教学方法是给出降压斩波电路的拓扑结构，说明每个元器件的作用，介绍工作原理，得到降压斩波电路的公式，但是在学生完成课后作业发现学生基本的知识点没有掌握，知识被动的记住公式，不能灵活应用，鉴于这种教学成果，我们做出教学改革，以目标为导向，以学生为中心，调动学生学习的积极性和主动性，灵活掌握知识点，触类旁通。提前设置问题，督促学生提前预习。

直流变流电路在实际电路中应用多，电路相对于整流电路结构简单，元器件数量少，都需要开关器件、电容、电感，在学生有一定的电学知识的基础上，进行课程改革。

以降压斩波电路为例，首先提出问题：如果现有12伏的直流电源，负载需要5伏的电压怎么解决？同学们都能想到分压电路，再引入电源的利用率，大家就能清楚这种情况分压元件消耗了功率，电源利用率低，引发学生进一步思考，引出斩波电路的概念。

斩波电路都需要电容、电感、开关器件，本课程在分析这几个元件时需要理想化处理，理想化指的是开关管、二极管瞬间通断，无损耗；电容电感均无损耗理想器件；线路阻抗为0。

电容电流安秒平衡：

电感电压伏秒平衡：

电容电感理想化，分别具有电容电流安秒平衡，电感电压伏秒平衡，这两个公式在所有斩波电路的公式推导中都会应用。

12 V到5 V降压，同学们首先想到的都是串电阻，串联的电阻会消耗功率，引导学生思考能不能串联开关，通过开关动作，画出输出电压波形，带着学生建立输出电压平均值和电源电压的关系，接着从负载角度来分析输出电压对负载的影响，引导学生搭建降压斩波电路，图1是引导学生搭建降压斩波电路的过程图，图（a）是基本的变换原理图，开关管接通输出电压等于电源电压，开关管截止，输出电压等于0，输出电压平均值小于电源电压，实现的是降压斩波功能；图（a）输出电压电流脉动大，图（b）加入滤波电容元件，可以使输出电压脉动减小，但是增加了开关管的电流应力；图（c）在图（b）基础上增加了缓冲元件电感，就是为了限制开关管的电流应力；图（d）为了解决图（c）中开关管关断时电感电流的突变，增加了阻断二极管。通过1图降压斩波电路拓扑结构的建立过程，引导学生认识什么是开关管的电压电流应力，如何限制，电路中电容、电感、二极管的作用是什么？

图1 降压斩波电路拓扑结构

电路模型建立起来，进一步引出问题，电流连续电流断续两种情况，电路的状态，激发学生进一步去思考，认识工作波形，探讨各个波形的工作原理，由工作波形进一步推导输出与输入电压电流的关系。由图2电流连续工作状态引导学生分析波形，根据缓冲元件电感的伏秒平衡，可得输出输入电压之间的关系：

图2 电感电流连续工作状态

稳态电压增益：

稳态电流增益：

通过电流连续工作状态的分析，引导学生思考电流断续情况，EO之间电压，比较电流连续和电流断续两种情况，EO之间电压的变化。

为了帮助学生更好地理解电路的构成及工作原理，要求学生利用课外时间建立MATLAB/Simulink仿真模型，如图3所示，运行观察波形，通过改变占空比，改变各参数观察波形。通过自主建立仿真模型，通过改变占空比，观察输出电压与输入电压之间的关系，还可以观察其他元件电压电流的波形，充分理解电路中各部分元件的工作状态，进一步理解电路的工作过程，如图4所示。

图3 降压斩波仿真模型

图4 降压斩波仿真波形

通过因问题为导向引导式以学生预习，课堂教学引发学生一步步来思考来建立模型，分析电路的工作原理，推导输入和输出的电压电流关系，课后要求学生开勇MATLAB/Simulink搭建仿真模型，鼓励学生利用互联网资源查找相关动画视频，通过实验台接线调试，动手做小制作，理论的学习推导，仿真模型的建立，全方位的学习使学生能够搞清楚每个知识点，通过习题检验学生的掌握程度，作业情况能够反馈学生对知识点的掌握情况，再将作业情况反馈给学生，通过学习通、QQ，建立学生与教师的沟通通道。

通过一系列教学改革措施，学生能够掌握基本的知识点，不及格人数相对往年降低，个别班级试卷平均分70分，如图5所示，从图中可以用这个班学生卷面成绩集中在60～69分之间，中高分段的人数相对较少，最高分98分，在后续教学工程中会进一步加强学生对知识点的灵活应用能力。

图5 2021—2022年某班课程卷面成绩柱状图

电力电子技术直流变流电路在现在的电力电子装置中应用广泛，以往的教学中老师为主导按部就班的讲解电路，构成元件，学生不能很好地理解电路的构成，造成不能解决实际问题，本文采用以学生为中心，OBE的教学理念，结合多年的教学经验，进行课程教学改革。以知识传递和价值引领为目标，建立预习—课内学习—课后实践三个层次。本文以降压斩波电路的课堂设计实施为例，对课堂进行精心设计，以学生为中心，通过丰富的课堂问题的提出，一步步引导学生思考，从而构建降压斩波电路的模型，引导学生自主搭建模型，自主分析电路，从而提高学生的学习主动性，从而建立电力电子技术课程的学习体系，通过动画仿真等多种教学手段，促进学生直观生动的理解电路的工作原理，通过实验激发学生学习的兴趣，提升教学效果。课程的教学目标不仅是使学生掌握电力电子技术的基本概念，分析电路，还需要培养学生的学习兴趣，科学的思辨能力、分析和解决实际问题的能力，还要培养学生科技报国的志向。