工程案例在“电力电子技术”课程教学中的应用

东莞理工学院电子工程与智能化学院 张 志 刘 畅 唐 校 康 丽

工程案例在“电力电子技术”课程教学中的应用

东莞理工学院电子工程与智能化学院 张 志 刘 畅 唐 校 康 丽

“电力电子技术”是电气工程及其自动化和自动化专业重要的专业基础课程，并且是一门与实践联系比较紧密的课程。以培养应用型人才为目的，从教学方法、教学内容和实践环节等方面对该课程进行了教学改革。通过对工程实践中电力电子技术应用的典型案例进行讲解，并结合电力电子技术中相关课程内容，最后通过实践环节进行了实施，探讨了教学实施的过程，完善了案例教学方法，培养了学生的兴趣和实践能力，提高了教学的效果。

案例教育； 实践环节； LED驱动

“电力电子技术”是电气工程及其自动化和自动化等专业的专业基础课。它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的一门技术，是弱电控制强电的桥梁和纽带，具有较强的实用性及广泛的应用前景[1-4]。针对传统常规课堂教学采用“填鸭式”教学方法，本文提出采用“工程案例式”教学方法，激发学生兴趣和积极性。

以电力电子技术课程整流电路（AC/DC）和直直变换(DC/ DC)的教学内容为分析对象，创新教学方法，以高频高功率隔离型发光二极管(LED)驱动电源为典型的工程教学案例[5-8]，改进教学方法，培养学生兴趣和实践能力。

1.LED驱动电源的工作原理

图1 L E D驱动器主电路结构

图1为两级变换LED驱动电源拓扑结构图。前级AC/DC部分采用升压（BOOST）电路实现功率因数校正，工作于临界导通模式（BCM）。通过消除升压二极管的反向恢复损耗，功率场效应管（MOSFET）以零电流方式导通，减小开关损耗。后级DC/DC部分采用反激变换器，工作于准谐振模式，降低了MOSFET的开通损耗。

1.1 B C M升压功率因数校正（P F C）部分的工作原理分析

图2 B O O S T P F C工作于B C M模式

图3 理想情况下输入电压和电流波形

BOOST PFC部分工作于BCM模式（如图2所示），消除了二极管反向恢复时间，同时MOSFET以零电流方式导通，减小开关损耗。传统BOOST PFC部分工作于连续电流导通模式（CCM），采用乘法器的方式实现有源功率因数校正，存在结构复杂且需要电压电流双环反馈控制。而DCM模式下输入峰值电流自动跟随输入电压，具有结构简单，电感量小等优点，并且能消除二极管反向恢复时间，但存在开关损耗高和器件应力大等缺点。而工作于BCM模式不存在器件应力大和二极管反向恢复问题，具有最佳的综合性能。

本案例采用无乘法器临界导通模式来进行功率因数校正。假设输入电压，下面在一个开关周期内对前面升压电路进行分析。开关管导通时，电感电流iL从零开始上升。在导通时间[0,ton]内，满足如下关系式：

其中ip为电感电流峰值，根据式(1)可以推导峰值电流为：

在开关管关断时间[ton,T]内，满足如下关系式：

由图（2）可知，电感平均电流iav满足如下关系式：

由式（5）可知，当导通时间ton保持不变，通过改变关断时间的方式，输入电流与输入电压成线性关系，保证了输入电压同相位，也就实现了功率因数校正的目的（如图3所示）。

1.2 准谐振反激变换器工作原理分析

图4 准谐振反激变换器主电路结构

图5 准谐振反激变换器典型波形

DC/DC部分采用单管反激拓扑（如图4所示），工作于准谐振模式。当副边二极管电流过零时，开关管漏级与源级电压（uds1）开始以原边电感和MOSFET寄生电容之间的谐振频率振荡，当uds1达到最低值时（如图5所示），通过使MOSFET导通便可实现准谐振开关，降低了MOSFET的开通损耗。

2.部分关键元器件设计

本案例设计的60WLED驱动指标如下：

输入电压范围：90～260V（40～60Hz）

DC/DC直流输出：48V/1.3A

PFC最小工作开关频率：58 KHz

PFC功率因数：PF≥0.95

电流谐波畸变率：THDI≤5%

DC/DC最小工作开关频率：52KHz

整机最大效率：≥90%

2.1 升压电感设计

由式(2)(3)可知：

根据输入功率等于输出功率，设PFC部分的转换效率为η，则：

将式(7)带入式(6)，可得最低开关频率为：

由式(8)可推知：

2.2 变压器设计

选择700V的MOSFET，反激变换器输入电压Uo=400V，反射电为漏感尖峰电压。考虑EMI和变压器尺寸的影响，最小工作频率f=52kHz，下降时间为0.8us。

初级感量为：

最大峰值电流：

初级最小匝数：

根据实际调试结果，原边取72匝，次级匝数取12匝。

3.实验结果

本案例需搭建60W样机进行实验验证。采用FAN6921作为控制芯片，设计了一台48V/1.3A输出的实验样机，PFC部分600V的MOSFET，型号为TK10A60D。反激部分采用700V的MOSFET，型号为STP10NK70ZFP。

图6(a)为110V交流电压输入且带满载情况下，交流输入电压和电流波形实验波形，由图可见满载时电流畸变率仅为4.1%。由图6(b)可见，输入电流跟随输入电压，功率因数达到0.993。

图7(a)为220V交流电压输入且带满载情况下，交流输入电压、电流波形和PFC输出直流电压实验波形，由图可见，前级AC/DC输出电压为400V。图7(b)为220V交流电压输入且带满载情况下，交流输入电压、电流波形和反激变换器输出直流电压实验波形，由图可知，输出电压稳定在48V。

图6 1 1 0 V交流输入时电压和电流实验波形

图7 2 2 0 V交流输入时电压和电流实验波形

4.结论

通过工程案例教学方式，培养了学生的兴趣，锻炼了学生解决实践技术问题的能力，增强了对本专业知识学习的积极性，同时也提高了学生的专业技术能力。如何选择更具典型的工程案例来进一步优化教学过程，仍需更深入的探索。将工程案例引入到“电力电子技术”课程教学中，提高了教学质量，是对“电力电子技术”课程教学方法的一种有意义的探索。

[1]黄俊,王兆安．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社,2000．

[2]李鹏飞,工程案例在“电力电子技术”课堂教学中的应用探索[J]．中国电力教育，2011(5)：101-102．

[3]刘少克．“电力电子技术”课堂的案例式教学[J]．电气电子教学学报,2014(6)：56-58．

[4]王晓刚．基于案例教学法的“电力电子技术”教学改革[J]．中国电力教育,2013(2)：77-78．

广东省公益研究与能力建设专项（2015A010106018），广东省教育厅优秀青年教师项目（YQ2015156）。

张志（1981-），男，湖南华容人，博士后，副教授，研究方向为电力电子装置系统及其控制。