“电力电子技术”课程理论教学与案例分析

王琪　罗印升

摘 要：针对“电力电子技术”课程存在的课程框架体系不明确，教学目标模糊，教学内容较多，重难点教学难度大，教学理论化现象严重，实验教学匮乏等问题，提出了一种理论教学与案例分析的方法。以课程中直流-直流升压斩波电路为实例，对升压斩波电力进行理论教学和基于MATLAB/SIMULINK仿真软件进行案例分析，使得学生深刻理解所学知识点，教学效果良好。

关键词：电力电子技术；理论教学；案例设计；MATLAB/SIMULINK

中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2017）02-0107-04

“电力电子技术”是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，即使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。“电力电子技术”应用非常广泛，大到目前国内外高度关注的新能源发电设备，如太阳能光伏发电，小到日常生活中的手机充电器。“电力电子技术”是全国高等学校电气工程及其自动化以及自动化等专业的专业必修课程，同时也是“电机学”、“伺服系统”和“电力拖动控制”等课程的先行课程。另外，电力电子作为电气工程硕博士研究生招生的一个重要方向，其地位举足轻重。针对“电力电子技术”课程教学存在的问题，结合笔者所在的以培养有特色高水平应用型人才的普通高等本科院校为例[1-2]，提出理论教学与案例分析的教学改革方法，旨在让学生更加深刻地理解“电力电子技术”的知识，为日后从事相关研究或者技术工作奠定坚实基础。

1 “电力电子技术”课程教学存在的问题

1.1 课程框架体系不明确，教学目标模糊

课程框架体系是任何一门课程在教学之前任课教师必须要了解的系统知识，任课教师了解了该课程在整个专业课程框架体系中的地位，才会有针对性地对课程进行系统全面的备课，制定完善的教学目标。“电力电子技术”在电气工程及其自动化专业中地位突出，但是很多教师只是当作一门普通的专业课，导致该课程在整个专业课程框架体系中的地位不明确，从而制定的教学目标相对较模糊。

1.2 教学内容较多，重难点教学难度大

“电力电子技术”目前国内大多数院校都采用王兆安教授编写的《电力电子技术》第5版教材，该教材中将课程分为十章内容，包括绪论、电力电子器件、整流电路、逆变电路、直流-直流变流电路、交流-交流变流电路、PWM控制技术、软开关技术、电力电子器件应用的共性问题以及电力电子技术的应用，每一章内容都很重要，要在有限的学时内，将这十章内容教完，几乎无法完成。面对这种情况，重难点教学尤为重要[3]。但是课程中的重难点又难以区分，每个知识点前后联系紧密，学生理解不易。

1.3 教学理论化现象严重，实验教学匮乏

“电力电子技术”属于偏应用的课程，共分为十章内容，目前大多数的课时都中在理论教学，然而在理论教学时学生往往反映枯燥无味，难以理解。所以，等到实验教学时，很多同学甚至连理论都不清楚，或者理论理解不透彻，导致自己动手实验无法完成。再加上实验课时少，实验设备资源欠缺，整体实验教学匮乏。

2 “电力电子技术”理论教学与案例分析

2.1 理论教学与案例分析教学改革方法介绍

针对第1节中“电力电子技术”课程教学存在的问题，在实验教学课时有限的前提下，我们提出“电力电子技术”理论教学与案例分析教学改革方法，即在理论教学的基础上，针对重难点知识，配备上典型案例分析。案例分析主要运用到MATLAB/SIMULINK仿真软件， MATLAB/SIMULINK仿真软件中具备搭建电路拓扑、设计控制程序以及对仿真结果进行测试等功能，结合各种仿真波形，让学生更加形象直观地理解重难点知识。理论教学与案例分析方法将学生所学的“电路原理”和“MATLAB课程设计”重拾，任课教师花费课外更多的时间来准备典型案例，在课堂上进行演示，学生课后可以重复教师演示的过程，将知识点进行巩固。理论教学与案例分析方法激发了学生对“电力电子技术”课程的学习兴趣，加深了学生对所学知识的理解，学生普遍反响较好。

2.2 理论教学与案例分析具体实例

以“电力电子技术”课程中直流-直流升压斩波电路为实例，重点介绍理论教学与案例分析方法。图1中为直流-直流升压斩波电路拓扑结构，其中[E]为输入直流电压，[i1]为输入直流电流，[L]为电感，[V]为开关管，[VD]为二极管，[C]为滤波电容，[R]为负载电阻，[ic]为控制信号，[uo]为输出直流电压。该电路的工作原理为：假设[L]和[C]值很大，当[V]处于通态时，电源[E]向电感[L]充电，电流恒定[I1]，电容[C]向负载[R]供电，输出电压[Uo]恒定。当V处于断态时，电源[E]和电感[L]同时向电容[C]充电，并向负载提供能量[4]。

根据电路的工作原理，给出基本的数量关系，当电路工作于稳态时，一个开关周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等[5]，即

[ EI1ton=（U0-E）I1toff] （1）

化简得：

[U0=ton+tofftoffE=TtoffE] （2）

公式（1）和公式（2）中，[ton]为开关周期内的导通时间，[toff]为开关周期内的关断时间，显然[T] / [toff] >1。因此輸出电压[U0]大于输入电压[E]，达到升压的目的。

在MATLAB/SIMULINK仿真软件中搭建直流-直流升压斩波电路，见图2，电路拓扑结构与图1中一致，开关管为IGBT。设置[E]=20V，[L]=1.5H，[C]=3F，[R]=10Ω，[T]=2s，[toff]=1s，升压比[T] / [toff]=2，采用开环PWM控制方法生成[ic]。

按照公式（2），带入各参数数据，计算得出[U0]=40V。MATLAB仿真结果如图3-图5所示，图3为PWM控制信号，用来控制IGBT；图4为输入电压，可以看出电压值为20V；图5为输出电压，稳定后电压值在40V左右。不难发现，理论计算结果与仿真结果一致。

3 结论

本文总结了“电力电子技术”课程存在的课程框架体系不明确，教学目标模糊，教學内容较多，重难点教学难度大，教学理论化现象严重，实验教学匮乏等问题，提出了一种理论教学与案例分析的方法。并以课程中直流-直流升压斩波电路为实例，对该方法进行演示，得到如下结论：

（1）理论教学与案例分析方法在教学中可行，学生能深刻理解所学知识点，教学效果良好；

（2）理论教学与案例分析方法对“电路原理”和“MATLAB课程设计”等先前课程进行知识巩固，进一步促进所学知识的运用；

（3）理论教学与案例分析方法可有针对性的进行推广应用。

参考文献：

[1] 杨益飞， 邢绍邦， 韩晓新， 等. “电机学”理论教学与实践[J]. 江苏理工学院学报， 2014， 20（6）： 81-85.

[2] 周小勇， 朱 雷， 刘素芬， 等. 应用型本科测控专业实践教学体系探索与实施[J]. 江苏理工学院学报， 2015， 21（6）： 142-145.

[3] 于冬梅， 韩晓新， 朱成喜. “DSP技术与应用”课程中实验教学改革研究[J]. 江苏理工学院学报， 2015， 21（2）： 116-120.

[4] 王兆安. 电力电子技术 [M]. 5版.北京： 机械工业出版社， 2013.

[5] 郭世明. 电力电子技术 [M]. 2版.成都： 西南交通大学出版社， 2008.

Theory Teaching and Case Analysis of Power Electronics Technology Course

WANG Qi， LUO Yin-sheng

（School of Electronic Information Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou 213001， China）

Abstract： Facing the problems of “Power Electronics Technology” course， such as ambiguous curriculum framework and teaching target， too much teaching content and teaching difficulty as well as theoretical teaching and lacking of experimental teaching， we present a method combining theory teaching and case analysis. Take the course of DC / DC boost chopper circuit as an example， we apply theory teaching and case analysis under MATLAB/SIMULINK simulation software. This method makes the students understand the knowledge points deeply， and the teaching effect is good.

Key words： power electronics technology； theory teaching； case analysis； MATLAB/SIMULINK

责任编辑 祁秀春