全控型电力电子器件教学实验平台的开发

吴晓刚，周美兰，李文娟

（哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引言

“电力电子技术”课程作为电气工程学科的专业课，其内容是以电力电子器件为核心，介绍对电能进行有效变换和控制的方法与技术［1］。

目前，已有一些文章围绕“电力电子技术”课程进行实验教学和教学模式探讨的研究，但是大都围绕教学改革和方法进行讨论［2－5］，鲜有对电力电子器件教学进行相关研究。电力电子器件可分为不可控器件，半控型器件和全控型器件。在全控型器件出现前，一直以晶闸管为代表的半控型器件及相位控制电路是电力电子技术的核心。全控型器件的出现把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。因而我们认为，在教学过程中应以全控型器件及其组成的电路为主导。

本文介绍了一种电力电子器件驱动控制及特性分析教学实验平台，通过课堂现场演示，为学生提供直观的特性曲线及电力电子器件使用方法，加深学生对知识的理解和提高综合能力。同时具有一定的可发展性，可以经过扩展后为后续教学内容提供服务。

1 实验平台的设计原则

根据理论与实验教学的需要，本文给出了“电力电子驱动控制及特性分析”教学实验平台的设计原则。

1）教学实验平台的开放性

根据教学大纲对学生知识、能力、素质教学的总体要求和专业的培养目标，注重培养宽口径应用型人才。以教学平台的研发作为一个实验教学项目，吸收高年级本科生参与设计与调试，使之不仅成为一个教学演示装置，更为对电力电子技术方向有兴趣的学生提供一个提升能力的机会。

2）教学实验平台的多功能性

采用模块化设计结构，利用开放式的器件，使教学平台既可以为电力电子器件部分的教学服务，又可以通过简单扩展为后续的斩波电路、逆变电路及斩控式调压电路等部分提供演示教学。设计时所留的扩展接口能更好的满足多种教学的需要。

3）教学实验平台的可发展性

在教学平台的研制过程中，注重培养学生综合运用所学理论和技术，可以将其作为“电力电子技术”、“计算机控制技术”和“单片机原理与接口技术”等课程的课程设计及工程实践的辅助工具，学生还可依托该平台完成一些大学生创新性实验，以此增强实践和创新能力。

2 实验平台的组成

全控型电力电子器件驱动控制与性能分析教学实验平台主要由七部分构成，即电源处理部分、信号调理电路、单片机、驱动电路、电力电子器件、LED显示及接口等，如图1所示。

图1 实验平台结构

1）电源处理部分由变压器和不可控整流电路组成AC／DC电路、DC／DC电源模块以及为单片机供电的电源管理电路三部分构成，如图2所示。由于涉及到P－MOSFET和IGBT两种全控型电力电子器件的驱动控制和特性演示，因此采用输出为＋5V，＋12V，＋15V的DC／DC电源模块。选用的XC164CM单片机由＋5V和＋2.5V两个电源供电，因此采用TLE7469电源芯片作为单片机的电源管理电路。

图2 电源处理电路

2）信号调理电路主要是为调节全控型电力电子器件的开关频率和电力电子器件电流采集信号而设计的。通过频率的调节，可以清楚地看到电力电子器件在允许开关频率内和超出允许的范围所表现的差异。而电流采集信号则是模拟量，可以通过限幅后输入到单片机中。

3）单片机的功能是输出调节后的驱动信号频率，并将相关频率及电流信息输出显示在实验平台的LED上。

4）驱动电路采用集成芯片和分立器件组成两种形式，通过跳线进行选择，主要目的是让学生理解驱动电路的结构和作用，学会如何选择全控型电力电子器件驱动芯片。为了进行特性演示，驱动电路的供电电源采用多路开关可选方式，可以选择电源输出模块输出的＋5V，＋12V和＋15V。

5）电力电子器件采用几种不同封装形式，通过跳线选择演示实验的器件，让学生了解常用的电力电子器件的外形和封装。

6）LED显示及接口部分主要用来连接负载以及扩展其他变流电路所用。

3 实验内容

该教学实验平台具有如下特点。

1）综合性：信号处理电路、单片机与驱动电路综合一体，其中驱动电路分别采用分立元件和集成芯片两种形式；

2）直观性：通过旋钮调节驱动信号的频率，可以观看不同频率下器件的开关状态；

3）灵活性：提供了简便可靠的接口，可以方便实验模块的扩展。

全控型器件基本特性主要包括静态特性和动态特性两部分。静态特性可分为转移特性和输出特性，动态特性主要分析开通和关断过程时间的组成及影响开关频率的主要因素。以P－MOSFET为例，演示该部分实验内容，向学生重点介绍全控性电力电子器件的基本特性实验和分析方法。

P－MOSFET的转移特性是指漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系，其特点反应的是输入电压和输出电流的关系。本实验平台中，我们首先固定PMOSFET的漏极电压，通过电源模块输出的＋5V，＋12V，＋15V电平分别为P－MOSFET的栅极提供驱动电压UGS，通过单片机采集当前电流传感器ACS704的输出信号，并以LED显示结果，学生可以通过记录实验数据，对转移特性曲线进行比较并分析结果。

P－MOSFET的输出特性是指其漏极伏安特性，即P－MOSFET工作在开关状态时，在截止区和非饱和区之间来回转换。实验中，我们首先将UGS固定在＋5V，实验平台中电源模块可以输出＋5V，＋12V，＋15V的电压。通过将其施加在P－MOSFET的漏极上，观测漏极电流ID的数值是否变化，从而判断P－MOSFET工作的区域。

动态特性的分析演示可结合驱动控制电路的讲解进行。通过标准的驱动电路对P－MOSFET施加驱动信号，则在P－MOSFET输出端得到如图3所示的波形，将该波形与教科书中P－MOSFET开关过程波形对比，向学生讲解影响P－MOSFET开关速度的主要因素。

图3 P－MOSFET动态特性及驱动控制波形

通过以上实验步骤，可以使学生对P－MOSFET的特性和驱动控制有了直观的了解，配合对该部分理论内容的讲解，对学生深入理解该部分知识有着一定的促进作用。

4 实验平台的特色

1）加深学生对电力电子器件的理解

“电力电子技术”课程作为电气工程专业重要的专业平台课。该实验平台的开发加深学生对电力电子器件的理解，加强学生对理论知识的应用。

2）提高参与研制的学生分析和设计能力

该教学实验平台的研制，涉及到电气工程专业的电子技术、自动控制原理、单片机原理及应用和计算机控制技术等课程。在研制的过程中，吸收高年级学生参与设计调试工作，可以使学生更深一步掌握模拟电子技术和数字电子技术的知识、熟悉单片机的使用方法。

3）作为一个基础平台，能为后续教学内容服务

电力电子器件作为电力电子技术的基础，该实验平台具有良好的可扩展性，经过扩展后可以为电力电子技术中的斩波电路、逆变电路及斩控式调压电路的教学提供服务。同时也可作为“单片机原理与接口技术”和“计算机控制技术”等课程的课程设计提供一定的平台服务。

5 结语

电力电子器件驱动控制与特性分析教学实验平台主要承担了我校“电力电子技术”课程中电力电子器件部分的理论和实验教学，通过对学生问卷调查，获得了良好的教学效果。同时被部分教师用在了“单片机原理及接口技术”课程的教学中。该实验平台还为电力电子与电力传动方向的低年级本科生提供了认识实习的条件。参与该平台研制的高年级学生，极大地提高了自身的工程实践能力。

［1］王兆安，黄俊.电力电子技术（第4版）［M］.北京：机械工业出版社，2000

［2］李秀娟，刘伟.“电力电子技术”课程改革思考［J］.南京：电气电子教学学报，2009，31（6）：30－31

［3］程琼，郑建勇，廖冬初.“电力电子技术”课程改革新探讨［J］.南京：电气电子教学学报，2009，31（2）：13－14

［4］赵凯岐，兰海，杜春洋.电力电子技术双环节实验教学新方法［J］.南京：电气电子教学学报，2009，31（3）：73－74

［5］张慧，秦亮，刘开培，等.分布式电力电子技术虚拟实验室的应用研究［J］.南京：电气电子教学学报，2010，32（1）：64－66