“电力电子技术”课程研究型教学模式探索

杨喜军，常中科，侯孝涵，乔树通

(上海交通大学 电气工程系，上海200240)

0 引言

在知识经济时代，世界各国的综合国力竞争日益激烈，国力竞争的核心是人才竞争。十六大报告明确指出：“创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。”高校毕业生要有创新精神、创新意识以及自主实践能力，理工科高校毕业生还要求有科技创新能力，为此理工科教师应该掌握多种教育科学研究方法[1～2]。电气工程专业大学生的培养目标和毕业要求的12项内容中就包括：遵循价值引领、知识探究、能力建设、人格养成“四位一体”的育人理念，坚持“起点高、基础厚、要求严、重实践、求创新”的办学传统。研究型教学应该体现在教与学的一切活动中，所有活动应该起到润物无声的效果。

“电力电子技术”课程为大三第一学期主课，旨在普及电力电子技术基础知识[3～4]。这门课与其它多门主课相互交叉，表现出非常强的技术性，与很多前沿技术或工业技术相互关联，而且该课程中的许多知识模块存在深度挖掘和深度学习的空间，其中就包括相控与斩控相似性问题、波形合成原理、整流电路本质、耦合型DC-DC变换器相互联系等方面。

研究型教学模式需要注重课程教学与科学研究相结合，采用多种实用的教学方法，提供和讲解具有前沿性、创造性、探索性的教学内容[5～8]。本文深入挖掘整流电路工作原理，以电压输出型整流电路安全上电为契机，将“电力电子技术”教学和大学生进入实验室计划结合起来，探索如何切实有效地开展研究型 教学模式，促进学生建立科学思维和树立良好科学精神，以实例形式给出本次研究型教学模式的成果。

1 整流电路的教学要点

1.1 基本知识

“电力电子技术”课程中的整流电路，即AC-DC电路，主要包括：

(1)采用相控原理带有直流平波电感的单相、三相晶闸管整流电路(即相控整流电路)，后接直流电动机电枢或电流源型逆变器等负载。后级负载不运行时，相控整流电路无法工作。由于电感限流作用和控制角可调，因而不存在安全上电问题；

(2)采用不控原理带有直流电解电容的单相、三相二极管整流电路(即不控整流电路)，后接直流DC-DC变换器或电压源型逆变器等负载。后级负载运行与否，不控整流电路都能工作。由于电容电压对电流的微分作用，在电解电容冷态上电时，交直流线路中会出现突波电流，因而存在安全上电问题。

在讲述上述两种整流电路区别时，不能简单地将二极管理解为控制角为零的晶闸管，因为二极管导通角只出现在网压瞬时值高于输出电压瞬时值时，且与容值大小、功率等级、网压、网频等因素相关。

为了定性分析网侧电流峰值、导通角位置与导通宽度的变化规律，借助Matlab/Simulink仿真软件进行辅助分析。

首先，在同样条件下，将负载电阻由很低值到很高值变化，观察单相全桥整流电路网侧电压、网侧电流和输出电容电压波形，并通过Simulink中的FFT功能分析其有效值和平均值的变化规律，要求学生自主研究其变化规律；

其次，在同样条件下，将电解电容取值由很低值到很高值变化，观察单相全桥整流电路网侧电压、网侧电流和输出电容电压波形，并通过Simulink中的FFT功能分析其有效值和平均值的变化规律，要求学生掌握其变化规律。

完成这些工作后，学生对不控整流电路的变换过程具有了初步了解。

1.2 扩展知识之一

安全上电问题存在于所有隐含二极管自然整流电路的AC-DC变换器中，包括：①单相半波、全波、全桥整流电路；②三相全波、全桥整流电路；③工频、中频、高频整流电路；④电压源型PWM整流电路；⑤不隔离升压型DC-DC变换电路；⑥无源整流电路和有源整流电路。

功率因数概念覆盖整个学期的教学工作，因此有必要借助不控整流电路先行进行讲解，有关结论可以推广到相控整流电路。整流电路网侧功率因数偏低，与容值大小、功率等级、网压、网频等因素都有关系。

假定网压为正弦波形，可以给出两种基本功率因数表达形式：

学生应该掌握各种功率的形成：只有同频率的电压与电流之间才能形成P和Q，不同同频率的电压与电流之间才能形成D，而且P、Q、D和S是指平均功率，以后还要学习p和q的瞬时功率概念，要求学生能够推导两种功率因数表达式之间的等价性。

要求学生利用仿真软件对不同工况条件下的不控整流电路的网侧功率因数进行分析，并验证两种表达形式所得结果的一致性。该部分内容为后面学习单相有源功率因数校正器(APFC)的工作原理打下基础，功率因数校正的目标就是消除Q和D。

1.3 扩展知识之二

A. 硬上电危害分析

硬上电是指在没有任何限流措施情况下交流电压源直接施加到不控整流电路的输入端，其优点是电路简单和上电速度快，但是只适合小功率负载和小容值情况。当负载较重时，所需容值相应较大，此时硬上电危害明显加剧，表现为：上电产生突波电流引起网压骤降进而影响附近用电设备供电质量，引起熔断器烧熔和空气开关跳闸，并引起线路损耗和电解电容ESR损耗过大，更为严重的是，由于电解电容电压上升较快，即dv/dt过高，引起后级电力电子电路(如电压源逆变电路)中功率开关动态电压击穿，形成较低的功率因数和较强的EMI干扰，等等。其物理原因是电容电压与电容电流符合以下关系式：

(1)

(2)

式中，C为电解电容取值，即容值；uC为电容电压；iC为一电容电流；u0为冷态电容电压，一般情况下，u0=0。

由于线路缺乏限流器件，在忽略二极管压降时，网压全部施加在电解电容上。鉴于上电时刻具有随机性，且线路时间常数τ=0，对于单相交流不控整流电路而言，在网压峰值处上电，会引起最大的突波电流峰值，危害最为严重。

B. 软上电措施分析

采取合适的软上电措施才能确保安全上电。软上电的实质是限制或控制上电电流大小或波形，限制电解电容电压的上升率，为此需要采取合适的限流元件且串联在充电路径的合适位置。 限流元件主要包括功率电阻、电感、次级串电容或电阻的变压器、电感与电容串联支路等，可以演化出多种电路。功率电阻还包括正、负温度系数热敏电阻PTC和NTC。

上电过程中限流元件进行限流，上电结束时要求限流元件被短接，使得整流电路进入正常工作模式，也可以演化出多种短接电路。

鉴于整流电路软上电方面已有的研究成果较多，为了便于学生入门，需要做出筛选，为此选择易于理解的电阻软上电方法(即电阻限流法)。

电阻限流法的要点是：在直流正极、电解电容两端或交流火线上使用阻性元件，在上电期间与电解电容构成串联支路，充电完成后采用机械开关(一般为继电器)或功率开关(IGBT、功率MOSFET或单向晶闸管)短接或旁路该阻性元件。当采用机械开关时，正常运行时，没有额外功耗，但是机械震动会引起触头脱离。

2 整流电路的探索问题

2.1 提出问题

引导学生考虑一个新问题，即采用电阻限流时，单相、三相不控整流电路的电阻总功耗如何，有无最小情况。

为了有效地推进研究型教学模式，教师在课堂上除了多次反复分层次地讲解整流电路知识，成立10名学生和两名硕士研究生构成的研究兴趣组，以发现专利技术和申请专利的形式，促进学生进行研究型学习。

由于整流电路存在严重的非线性，使得上电过程中上电电阻总损耗的计算非常困难，也尚未出现电阻总损耗最小的电阻限流方案。经过细致的仿真分析，发现在电解电容充电充满过程中，对于不同的技术方案，上电电阻总损耗不同，因此可以充分利用该发现，设计新型低耗上电方案。

具体情况如下：

(1)直流电源供电时，上电电阻总损耗相对电解电容总储能(即 )的比例为100%；

(2)三相全桥不控整流电路中，单只上电电阻置于直流正极，上电电阻总损耗相对电解电容储能的比例大约为92.62%；

(3)三相全桥不控整流电路中，三只上电电阻分别置于三相交流线路，上电电阻总损耗相对电解电容储能的比例大约为89.4%；

(4)三相全桥不控整流电路中，两只上电电阻分别置于任意两相交流线路，上电电阻总损耗相对电解电容储能的比例大约为85.1%；

(5)单相全桥不控整流电路中，不论上电电阻处于交流侧，还是直流侧，上电电阻总损耗相对电解电容储能的比例最低，电容取值较小时大约为79.47%(在网压峰值时上电)和78.26%(在网压过零时上电)，电容取值较大时，该比例大约为79.1%，与上电初始时间基本没有关系。

综合以上，有必要对三相不控整流电路采取单相电源供电且在网压过零时上电的措施。

2.2 解决问题

研究兴趣组共计提出了5项具有实用新型水平的专利技术，设计出5种不同的三相不控整流电路，分别如图1、图2、图3、图4与图5所示。

图1 三相整流电路软上电方案1

图1所示电路的原理是：上电合闸后，只有线电压uac进行单相整流。上电结束后，两只继电器动作，短接a相限流电阻并接通b相。

图2 三相整流电路软上电方案2

图2所示电路的原理是：上电合闸后，c相处于断相，只有线电压uab进行单相整流。上电结束后，触发三只晶闸管导通，短接限流电阻，并接通c相。

图3 三相整流电路软上电方案3

图3所示电路的原理是：上电合闸后，通过单相整流桥(包括D7～D10)和限流电阻上电，只有线电压uab进行单相整流。上电结束后，驱动继电器动作，短接直流负极线路，单相整流桥(包括D7～D10)和限流电阻保持不变。

图4所示电路的原理是：上电合闸后，通过第一单相整流桥(包括D1～D4)和第二单相整流桥(包括D5～D8)和限流电阻进行上电，只有线电压uab进行单相整流。上电结束后，驱动两只继电器动作，短接限流电阻和接通第三单相整流桥(包括D9～D12)的正极。

图4 三相整流电路软上电方案4

图5 三相整流电路软上电方案5

图5所示电路的原理是：上电合闸后，控制电路检测线电压uab，并通过比较电路和光电耦合器检测到线电压uab过零信息，在过零时驱动晶闸管TH1导通，开始软上电过程。当软上电结束时，控制电路发出驱动信号驱动继电器动作，短接上电电阻和晶闸管构成的支路。这是一种最节能的上电方案。

3 整流电路的深度挖掘

为进一步增强学习效果和促进学生深度思考，从而对电力电子技术产生浓厚兴趣，对不控整流电路安全上电问题进行深入研究。打破原有只采用一种功率开关构成整流电路和阻性元件限流方案，弃用上电电阻，寻找更加节能的软上电方案。

3.1 电感限流法

电感限流法的工作原理是：单相整流电路高端(或低端)的功率开关采用单向晶闸管、低端(或高端)采用普通功率二极管，构成混合整流电路。交流侧采用低值电感，或利用EMI滤波器中差模电感，或利用功率因数校正器中的电感，交流电源上电时，单向晶闸管控制角按照一定的规律由接近180°逐渐减少至90°，充电电流断续，但电流峰值受控。上电结束后控制角设置为0°，单向晶闸管代替二极管使用，虽然需要两组单向晶闸管驱动电路，但是单向晶闸管导通压降一般低于二极管导通压降，运行中功耗较低。一种方案如图6所示，图中单相二极管整流桥高端采用单向晶闸管，低值电感置于交流火线上。如果将低值电感置于整流电路的直流正极，可得图7和图8所示的其它方案。

图6 交流侧电感限流的单相混合整流电路

图7 直流侧电感限流的单相混合整流电路

图8 直流侧电感限流的单相二极管整流电路

以图6为例，上电时可使得单向晶闸管控制角以较低斜率线性或非线性下降至略低于90°，此时充电过程基本结束，随后可以将单向晶闸管控制角设置为0°。控制角变化过程大致可以划分为四个阶段，如图9所示，图中，k表示第k个开关周期，控制角αk<αk-1，βk<βk-1且αk<βk。

图9 上电过程中网侧电流和电解电容电压变化波形

对于三相混合整流电路，当380V交流电压供电、电解电容取值为4x330 F、滤波电感为1mH时，上电过程中网侧电流和电容电压变化波形如图10所示，可见电容电压缓慢上升至网压峰值，网侧电流呈现窄脉冲形状且幅值控制在10A以内。

图10 上电过程中网侧电流和电解电容电压波形

限流电感总功耗远低于电阻限流法时电阻总耗能，鉴于同样电压和电流等级的单向晶闸管压降低于二极管压降大约0.2V，因此在上电结束以后正常运行期间，除了单向晶闸管需要的驱动功率以及继电器工作时少量损耗，可以认为电感限流软上电是一种节能型软上电。三相混合整流电路的电感限流法如图11和图12所示。

图11 直流侧电感限流的三相混合整流电路

图12 直流侧电感限流的三相二极管整流电路

图11所示电路的原理是：按照单相整流电路软上电基本方法，调节单向晶闸管TH1和TH2的控制角，采用线电压 进行上电，上电完成时，设置三只单向晶闸管控制角均为零。

图12所示电路的原理是：按照单相整流电路软上电基本方法，调节双向晶闸管TB1的控制角，采用线电压uab进行上电。上电完成时，设置双向晶闸管TB1和TB2控制角均为零。

3.2 感容限流法

感容限流法的工作原理是：低值电容与低值电感串联在二极管不控整流电路中，低值电容用于限制电解电容充电电压，低值电感用于限制充电电流尖峰，并巧妙地借助低值电容与低值电感之间的谐振作用，不断地为电解电容充电，直至充电结束。此时低值电容与低值电感振荡减弱至零，可以采用继电器短接低值电容与低值电感串联支路，或只短接低值电容，保留低值电感可以起到滤波作用，单相APFC中的升压电感可以起到低值电感作用。感容限流法的整流电路包括图13～图17，这些电路具有一定的新颖性、创造性和实用性。

图13 电感置于直流侧感容串联单相整流电路

图14 电感置于交流侧感容串联单相整流电路

图15 电感置于直流侧感容串联三相整流电路

图16 单电感置于交流侧感容串联三相整流电路

图17 三电感置于交流侧感容串联三相整流电路

4 学生实践与教学效果

4.1 学生实践过程

鉴于处于大三第一学期，学生们刚刚接触到专业课，尚处于打基础阶段，需要他们按照教学进度和教师要求一步一步地进行研究型学习，除了认真学习课堂内容和书本知识外，还要完成额外任务，教师以学生的学习为中心精心安排课堂作业、课后作业和仿真作业，这些作业适用于班上全部学生。

为了保证效果，在研究兴趣组中，随机指定两名学生组成一个小组，以寻找与课本相关的实用新型专利技术为最终目标，需要在完全掌握书本知识基础上，根据制定的目标以及教师的提示和讲解，认真分析和互相讨论，采用Matlab/Simulink进行尝试和验证，最后学生们提出了很多好的想法和建议，部分得到理论分析和仿真分析验证，成为候选专利技术。

学生实践过程大体分为两个阶段：

(1)前半学期，充分利用假期多、时间充足的机会，学生们提炼、书写、修改和提交专利文件。在寻找专利技术期间，学生们要多次听取教师关于知识产权的知识讲解，掌握专利技术文件的书写规范与要领，明白知识产权体现了一个国家的科技水平，知识产权也是科研成果的一种表现形式；

(2)后半学期，各种验证性实验相继展开，考虑到时间比较紧张的情况，学生们主要采取仿真分析和实验验证相结合的研究型学习方法，收到了良好的教学效果。

4.2 教学效果分析

经过本次研究型教学实践，学生们至少在两个方面取得了明显进步：

(1)在教学方面，学生们学习兴趣得到明显促进，个别学生劲头十足。学生们增加了对知识点的理解深度，增强了对问题的敏感度，思路得到了发散，加深了对本课程性质的理解。在期末试卷中，针对性地增加了多个发现问题、分析问题和解决问题的题目，包括异常条件下电力电子变换器如何实现安全运行问题、光伏水泵设计问题等等，有一定的难度和深度，正确率能够达到86%；

(2)在科研方面，学生们明白了科学技术的含义和开展科研项目的流程。研究兴趣组以解决不控整流电路安全上电损耗最小问题展开研究型学习，两名学生负责同一个题目，独立完成实用新型专利样稿书写。在2019年11月23日共计受理5项实用新型专利，包括一种三相整流桥中单电阻软上电电路、一种网压过零软上电电路、一种单相整流软上电的三相整流上电电路、一种三相整流上电电路、一种三相整流电路网侧单电阻软上电电路，申请号分别为CN201922039441.3、CN201922062185.X、CN201922039425.4、CN201922045746.5、CN201922039446.6，其中前两项申请已经获得授权通知。另有2项发明专利也在申请当中，名称分别为一种并网逆变器及其死区相移补偿方法、一种变频调速逆变器及其死区引起相移补偿方法。本次科研型教学也有力地促进了学校号召的“本科生提前进入实验室”计划，在课程结课后，已经有两名学生加入到该计划中，一名学生从事基于E类放大器的磁场耦合型无线输电的研究，另一学生从事开关电感型单相AC-DC变换器的研究，均取得了明显进步，已经提交专利代理人一项发明专利和在起草论文一篇。

5 结语

本文描述了“电力电子技术”课程中采用研究型教学模式的经验、收获和体会，这种研究型教学模式寓教于研，寓研于教，循序渐进，目标明确，提升了学生的学习效果和培养了学生的科研精神，总体上效果令人满意，收益面较大，有力地促进了教学相长，为大学生提前进入实验室计划的执行打下基础。几点建议如下：①以教学内容为依托，师生一起有效地投入，逐渐设计好技术路线，循序渐进地展开科研型教学，在科研中学会科研；②科研任务可以自拟，可以来自前沿课题的某一方面，可以来自突发灵感，不应该过于泛泛，不应该难度过大，不要过于抽象；③成立研究兴趣组，组长应具备一定科研基础和具有认真负责态度，只有这样才能有效地推进和完成任务，硕士研究生作为助教和组长可以缩短师生之间的距离；④学生需要熟练掌握一种仿真分析工具，如Matlab/Simulink(包括Electronics库)、PSIM与PLECS等，否则学生会理解不深和浅尝辄止。