面向新工科的“电力电子技术”教学方法探索

郭磊磊 李琰琰 郑安平 金楠 武洁 窦智峰

[摘 要] 该文探讨了基于Matlab/Simulink的电力电子技术教学方法，以克服常规教学方法存在的诸多问题，提高电力电子技术的教学效果，并切实增强学生通过理论学习分析和解决实际复杂工程问题的能力。

[关键词] 电力电子技术;新工科;Matlab/Simulink;复杂工程问题

[基金项目] 2020年度河南省新工科研究与实践项目“面向新经济的电气工程专业人才培养模式改革探索与实践”（2020JGLX050）;2019年度郑州轻工业大学第五批青年教师教学改革与研究项目“工程认证背景下电力电子技术课程教学改革研究与实践”（2019JG03）

[作者简介] 郭磊磊（1987—），男，河南新乡人，博士，郑州轻工业大学讲师，主要从事电力电子技术理论与实践教学方法研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码]A    [文章编号] 1674-9324（2020）38-0303-02    [收稿日期] 2020-04-08

近年来，在新工科、新经济、新技术快速发展的背景下，相对于电力电子技术的飞速发展而言，国内部分高校的电力电子技术教学内容与方案依然陈旧，无法实时跟踪时代的发展。因此，在工程认证和新工科教育发展背景下，如何培养电力电子技术专业人才，满足企事业单位对高素质专业技术人才的迫切需求，成为亟待解决的关键问题[1]。

以下以郑州轻工业大学的电力电子技术教学为例进行介绍。目前，我校的电力电子技术专业课主要覆盖了电气信息工程学院的电气工程及其自动化、自动化等多个专业近300名学生。然而，现有的电力电子技术教学过程中还存在诸多问题，如下所述：

（1）过度理论化的教学存在内容枯燥、无法吸引学生兴趣等缺点，不利于培养学生解决实际复杂工程问题的能力。

（2）教学内容陈旧，无法实时跟踪现代电力电子技术的发展，导致学生接受的知识不能联系实际。

为了切实提高我校电力电子技术的教学效果，提高学生独立学习和研究电力电子技术的能力，增强学生解决复杂工程问题的能力，本文探讨了基于Matlab/Simulink的电力电子技术教学方法[2]，并以降压型（Buck）DC/DC电路为例进行了介绍。

一、DC/DC变换器的实际应用价值

为了吸引学生学习电力电子技术的兴趣，增强学习解决复杂工程问题的能力，可以将理论学习与实际应用紧密联系在一起。例如，DC/DC变换器在我们的生活中就拥有非常多的实际应用，包括手机充电器、笔记本电脑电源适配器等。因此，可通过对手机充电器的工作原理进行介绍，加深学生对电力电子技术的理解，激发学生的学习兴趣。

二、Buck型DC/DC变换器

常用的Buck型DC/DC电路如图1所示[3]。电力电子技术中专门对该电路拓扑的工作原理进行了介绍，并通过理论分析得到了输入输出电压和电流波形，从而解释了其实现直流电压变换的基本原理。

然而，纯粹的理论教学无法吸引学生的学习兴趣。采用增加实验教学课时的方案固然可以提高学生理论结合实际的能力，但实验教学一方面会存在一定的安全隐患，另一方面由于实验教学资源的限制，无法保证每名学生都能亲自对所学的电力电子电路进行分析和验证。再者，固定的实验平台常常只包括若干种固定的电路拓扑，这就阻碍了学生对电力电子技术进行一些探索性的研究。

三、基于Matlab/Simulink的电力电子技术教学

Matlab/Simulink为广大教师、学生及工程技术人员提供了一个研究、开发电力电子技术的平台，允许使用者按照自己的思考进行电力电子技术研究，提出新理论或进行分析验证等，且不需要搭建任何硬件平台，具体成本低、安全性高等诸多优点。

常规的理论教学方法可以通过理论分析得到Buck型DC/DC电路的输入输出电压电流波形，但这是一种单方向的依靠教师灌输的教学方式，学生参与教学过程较少，因此其教学效果较差。

Matlab/Simulink为电力电子技术的理论分析提供了一种可靠的验证手段，且允许学生进行电力电子技术的自学习，从而提高了学生参与课堂教学的能动性。更重要的是，Matlab/Simulink允许学生自行设计电力电子拓扑并进行研究，因此可以极大的提高学生的学习兴趣，从而提高教学效果。

图2给出了通过理论分析得到的Buck型DC/DC電路的电压电流波形。在VT的驱动信号Uge为高电平时，VT导通。此时，二极管承受的电压为电源电压，电感电流在电源电压的作用下线性增加。在Uge为低电平时，VT关断。此时VD导通，电感续流，电感电流在输出电压的作用下线性减小。

为了验证所述的理论分析，可以通过Matlab/Simulink建立Buck电路的仿真模型，如图3所示，仿真结果如图4所示。

对比图4所示的仿真结果和图2所示的理论分析结果可见，仿真结果很好的验证了理论分析，从而为理论分析的可靠性提供了仿真验证。

此外，根据Buck型DC/DC输入输出的关系可知，当输入电压为200V，占空比为25%时，其输出电压理论值应为50V。为进行验证，图5给出了实际仿真得到的输出电压波形。

然而，由图5可见，实际理论分析和仿真结果存在一定的误差，这也说明了单纯的理论分析与实际结果是存在一定的差别的。在进行理论分析时，常假设可控器件IGBT、不可控二极管、滤波电感等元件是理想的。然而，单纯依靠这种理论教学的方法无法让学生清楚认识到理论分析与实际之间的差别及其原因。而借助于Matlab/Simulink则可以让学生自由的去分析和研究，从而可以更好的将理论分析和实际结果对应联系在一起，也能让学生更深入的理解书本上理论分析的优点及其局限性，为今后解决实际复杂工程技术问题提供良好的理论基础。

四、結论

采用Matlab/Simulink来提高电力电子教学效果的方法不仅可以大幅度提高学生自主学习的能力和兴趣，增加学生课堂参与感，而且可以将理论学习和实际工程问题紧密联系在一起，能够使学生充分理解理论分析的意义和局限性，切实提高学生解决实际复杂工程问题的能力。

参考文献

[1]金楠，杨存祥.PSIM软件在电力电子技术课程教学中的应用研究[J].中国电力教育，2013（27）：111-112.

[2]林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3]张新建，范娟，鲁艳旻，等.基于Matlab的“电力电子技术”课程仿真教学研究[J].中国电力教育，2014（9）：75-76.

Exploration on Teaching Methods of Power Electronic Technology in the Context of Emerging Engineering

GUO Lei-lei，LI Yan-yan，ZHENG An-ping，JIN Nan，WU Jie，DOU Zhi-feng

（College of Electrical Information Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，Henan 450002，China）

Abstract：This paper discusses the teaching method of Power Electronic Technology based on Matlab/Simulink，in order to overcome many problems existing in conventional teaching methods，improve the teaching effect of this course，and enhance the students' ability to analyze and solve practical complex engineering problems by theoretical learning.

Key words：Power Electronic Technology;emerging engineering;Matlab/Simulink;complex engineering problems