归纳法在“电力电子技术”教学中的应用

2011-08-09房绪鹏陈志巧张开如

电气电子教学学报 2011年5期

房绪鹏，陈志巧，张开如

(山东科技大学信息与电气工程学院，山东青岛 266510)

归纳法是数学、逻辑学和教育学等领域的一种重要的分析和推理方法。它指的是由许多个别事例，从中获得一个较具概括性的规则。作为由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的一门新兴科学—电力电子学中存在一些具有典型特征和规律，如对偶性和可逆性的电路和器件。如果我们科学地运用归纳法，在教学中将这些具有共性的电路和器件联系起来，科学的组织教学，可以使学生加深理解，提高教学质量。

1 电力电子器件的对偶性

在电子器件中，功率晶体管(GTR)有NPN型和PNP型两种类型［1-4］。这两种器件从结构、特性、工作原理和控制方法上都具有对偶性，两种器件的符号和在电路中应用时的控制方法和主电路接线如图1所示。从图中可以看出，两种器件的控制信号不同，NPN型器件的基极电流流入基极，而PNP型器件刚好相反，基极电流流出基极;在主电路中的接线也刚好相反，NPN型器件的集电极电位应高于发射极，PNP型器件的集电极电位应低于发射极，显示了很好的对偶性。

功率场效应管(Power MOSFET)有N沟道型和P沟道型，这两种器件的结构、特性、工作原理和控制也具有对偶性，其电路符号和在电路中应用时的控制方法和主电路接线如图2所示。从图中可以看出，两种器件的控制信号不同，N沟道型器件的栅极电位高于源极，而P沟道型器件刚好相反，栅极电位低于源极;在主电路中的接线也刚好相反，N沟道型器件的漏极电位应高于源极，而P沟道型器件的漏极电位应低于源极，显示了很好的对偶性。

图1 GTR的对偶图

图2 Power MOSFET的对偶图

〗绝缘栅双极型晶体管(IGBT)也有N型和P型两种类型，它们的结构、特性、工作原理和控制同样具有对偶性。其相应的电路符号和在电路中应用时的控制方法和主电路接线如图3所示，二者的等效电路如图4所示。

图3 IGBT的对偶图

图4 IGBT的等效电路图

从图中可以看出，两种器件的控制信号不同，N型器件的栅极电位高于发射极，而P型器件刚好相反，栅极电位低于发射极;在主电路中的接线也刚好相反，N型器件的集电极电位应高于发射极，P型器件的集电极电位应低于发射极，显示了很好的对偶性。从其二者的等效电路图可以更清楚地看出二者的对偶性，即作为一种基于GTR和功率MOSFET两种器件的复合型器件，N型IGBT由N沟道功率MOSFET和PNP型GTR复合而成，P型IGBT由P沟道功率MOSFET和NPN型GTR复合而成，其结构上具有良好的对偶性:N沟道功率MOSFET驱动PNP型GTR，P沟道功率MOSFET驱动NPN型GTR。

在无源电路元件中，电感和电容器具有对偶性，其物理特性和在电路中的接法都可以看作具有对偶性。如电感中的电流不能发生突变，一般串联于电路中，可将电压源转换为电流源;电容器两端的电压不能发生突变，一般并联在电路中，其两端可视作电压源。在电力电子电路中，电源为电压源时，负载往往为感性(电流源性质);电源为电流源时，负载往往为容性(电压源性质)。理解并熟练应用这些具有对偶性的特点，可以帮助我们理解和掌握许多电力电子电路的工作原理，如整流、逆变和直流斩波器等。

2 电力电子电路的对偶性

由电力电子器件和电路元件的对偶性，可以很自然地得到电路的对偶性。在电力电子电路中，电压源逆变器和电流源逆变器从电路结构到工作原理和特性都具有很好的对偶性。如采用PWM控制方式的电压源逆变器的输出电压和电流源逆变器的输出电流具有相似的特点，都为矩形波，与负载性质无关［1］;电压源逆变器的输出电流和电流源逆变器的输出电压具有相似的特点，都为近似正弦波，与负载性质有关;电压源逆变器常接电感性负载，电流源逆变器的输出常常并联电容器等。通过电路的对偶性，可以将电压源逆变器和电流源逆变器对比起来讲解，使学生对这两种基本逆变器的电路结构、工作原理和工作特性有更深入的理解。

3 电力电子电路的可逆性

众所周知，整流和逆变是两个互为可逆的功率变换过程，相当于二者的电源和负载的位置互换，如图5和图6所示。在图5中，当交流电源向直流负载供电时，晶闸管可控电路工作在整流状态;当直流负载向交流电源馈送能量时，晶闸管可控电路则工作在有源逆变状态。在图6中，当交流电源向直流负载供电时，全控型器件组成的桥式电路工作在整流状态，由于一般采用PWM控制方式，所以电路工作在PWM整流状态;当直流电源向交流负载供电时，全控型器件组成的桥式电路工作在无源逆变状态，由于一般采用PWM控制方式，所以电路工作在PWM逆变状态。在讲解可控整流和有源逆变电路，以及无源逆变电路的工作原理和工作过程时，结合上述可逆性，则能够使学生更容易、更深刻的理解上述内容，对功率变换的本质也可以有更进一步的认识。

图5 晶闸管可控整流和有源逆变电路可逆性

图6 PWM整流和PWM无源逆变电路可逆性

在直流斩波电路中，降压型直流斩波器和升压型直流斩波器也可以看作是一对可逆的电路，即若把电源和负载的位置互换，其中的一种电路可以变为另一种电路［5］。在讲述电流可逆的直流斩波电路驱动直流电动机的例子时，用直流电动机电动和再生制动两个工作状态时的电路工作原理和工作过程去讲解，结合图7所示的可逆性原理，学生可以很容易地理解能量流转的过程。

4 电力电子电路的相似性

在讲述直流斩波器部分内容时，在分析Buck电路、Boost电路、极性反转器(Buck-Boost电路)三种基本的直流斩波器电路的电路拓扑结构的基础上，

图7 降压式和升压式电路可逆性

我们可以归纳出它们的共性特点:都含有基本电路单元，即都含有全控型开关S、二极管D和电感L组成的基本电路单元。由该基本电路单元进行相应的旋转或扭转就可以变为另外的电路形式，如图8所示(图中的基本电路单元用粗线表示)。把握上述电路的典型、鲜明的特点，前后联系、相互对比的给学生讲解直流斩波电路，则能使他们更容易把握这几种电路的本质，同时深化了他们对电力电子电路拓扑的认识。