“Buck斩波电路”实验教学改革探索

2021-04-13史敬灼

电气电子教学学报 2021年2期

史敬灼

(河南科技大学电气工程学院，河南洛阳 471023)

0 引言

作为电气工程及其自动化专业的一门专业基础课，“电力电子技术”课程教学内容与工程实际联系紧密。课程实验是“电力电子技术”课程教学的一部分，适应于新工科人才培养要求和不断升级的产业人才需求。“电力电子技术”课程实验的培养目标不仅是验证课堂所学、掌握电力电子技术领域的基本实践技能，更要培养学生运用所学知识来发现问题、分析问题和解决问题的能力，更加注重学思践结合、知行统一，切实增强学生勇于探索的创新精神、善于解决电力电子工程问题的实践能力[1～3]。

为了提高实践能力培养效能，更好地实现课程实验教学目标，本文对“电力电子技术”课程的实验教学与理论教学进行一体化设计，并在自制的实验电路中设置与课程知识及能力培养目标相契合的“陷阱”，取得良好效果。本文以“Buck斩波电路”实验为例，说明具体做法。

1 如何支撑实验目标的达成

为支撑“电力电子技术”课程实验教学目标的切实达成，需要对实验模式、实验内容及教学过程进行细致的设计。

首先，采用教师设计的“Buck斩波电路”作为实验装置。一方面，学生实验从使用恒温电烙铁在电路板上手焊电子元件开始，随后完成自己手焊电路板的实验调试。另一方面，自编实验指导书，大幅度扩充实验预习部分的内容，给出实验电路原理图，细致讲解电路工作原理和信号流程，引导学生在实验预习及实验过程中，逐渐领悟将理论知识变为实际电路的具体方法和可行途径。

其次，为培养学生善于解决电力电子技术领域工程问题的实践能力，要求学生在实验过程中关注细节，不放过问题，深入思考，并用自主实验来辅助思考或验证所思所想。但是从学生的角度来看，多数学生虽然想去这样做，但并不知道应该去关注什么、思考什么。为解决这一问题，需要对课程的理论教学与实验教学进行一体化设计，也需要设计引导性的实验步骤和选做实验内容，甚至是故意设置“陷阱”，为学生提供可关注、可思考的对象，逐步教会学生如何关注细节、如何通过学思践深度融合来解决工程问题。下面，以“Buck斩波电路”实验为例说明具体做法。

2 实验教学与理论教学融为一体

实验所用主电路结构如图1所示。与教材所述Buck斩波电路不同的是，图1所示电路增加了与负载并联的电容器C，与电感L构成LC滤波器，使实验电路更加贴近实际应用的Buck斩波电路[4]。实验中，直流电源电压取为12 V，开关器件V、D分别选用功率MOSFET和肖特基二极管。

图1 实验所用主电路结构

电感电流连续、断续工作模式，是Buck斩波电路课堂教学的主要内容，一般希望电路工作在电感电流连续模式，并以此作为确定电感值的依据。在实验中，针对20 Ω/50 W电阻、R31ZY永磁直流电动机两种负载，要求学生将图1所示主电路中的电感器L分别取为100 μH和330 μH电感，观察、分析电感电流及二极管阴极电压、负载电压、PWM控制信号的波形，并根据所测波形分析主电路工作模式及电力电子器件的开关状态、工作过程。使用100 μH电感，学生可以明显地观察到电感电流断续情况。换为330 μH电感，则可使电路工作在电感电流连续模式。

作为上述实验内容的延伸思考，应该如何设计电感值以使电路工作于电感电流连续模式？对于图1所示主电路结构，教材并未给出相关论述[4]。为解决这一问题，任课教师安排了一次大作业。布置作业的时间节点如图2所示。作为课程过程考核中的一个环节，这次大作业在课程总评成绩中占5+1分(百分制)。

图2 课堂、作业、实验的时间节点设计

这次大作业要求学生研习一份英文资料，并在研习之后完成下列题目：

图1所示Buck斩波电路，输入DC电源电压E=12 V，负载为20 Ω电阻，PWM斩波频率fs为60 kHz，占空比D在(0%,100%]范围内连续可调。求：

(1)使电路能够工作于“电流连续工作模式”(指电感电流连续)的电感L值；(2分)

(2)在(1)问基础上，若要求输出电压的波动量不大于0.1 V，求电容C值；(1分)

(3)若取电感L值为100 uH，当占空比在什么范围内变化时，电路可工作于“电流连续工作模式”？(2分)

(4)【选做】更换负载为实验中使用的R31ZY永磁直流电动机，电动机空载运行，重复(1)、(3)问。(加1分)

上述英文资料分析了图1所示主电路的工作原理，给出了电路参数设计的原则和计算公式。题目与实验内容直接对应，给出的所有参数均为实验过程中采用的实际参数值。根据英文资料，满足下式时，电路工作于电流连续工作模式

(1)

式中，Ts为PWM斩波周期，频率fs的倒数。将输出电压平均值Uo=DE及IL=Uo/R=Uo/20代入上式，可得

(2)

代入数据，取D=0，得使电路工作于电感电流连续工作模式的电感L值

L≥166.7μH

同样根据英文资料及题目给出的数据，可得如下输出电压波动量Δuo关系式

(3)

式中，(1-D)D项在D=0.5时取为极大值，对应于输出电压波动量的极大值。将D=0.5及已知参数值代入上式，可得截止频率fc≤4.93kHz。取L=166.7 μH，可得

C≤6.25μF

实际上，考虑到电容器等效电阻等分布参数的存在，电容器的容值都会远大于上述计算值。

问(3)设定L值，求使式(2)成立的D。由式(2)可得

(4)

代入数据，可得使电路工作于电感电流连续工作模式的D值

D≥0.4

可以看出，英文资料的内容有助于帮助学生完成实验、理解实测波形，题目解答则可直接用于实验。

3 实验电路中的“陷阱”

实验电路中选用光耦芯片HCPL3140构成主电路中MOSFET的隔离驱动单元，如图3电路原理图中的芯片U2。U2输入侧的2脚通过电阻R11与PWM信号发生芯片U1(TL494)的输出9/10引脚相连。实测U2-2脚波形，如图4所示，波形下降沿存在明显的拖尾现象。

这一现象不影响实验电路基本功能的实现，但却是一个值得思考的细节。为引导学生关注这一现象并思考其缘由，在实验指导书中设置了如下选做内容：

【选做】实验中，可以观察到U2-2脚信号下降沿波形有明显的“拖尾”现象。观察U1-9脚信号波形，亦可看到类似现象。同学们可以结合U1、U2两芯片的说明书，考虑上述现象的原因。另外，可将实验电路中R10更换为2 kΩ、R11更换为1 kΩ，再测U2-2脚、U1-9脚信号波形。

图3 隔离驱动电路原理图

图4 U2-2脚电压波形(实测)

芯片HCPL3140、TL494的说明书表明，U2-2脚和3脚之间为一发光二级管，且2脚为二极管阳极；U1输出级为OC(集电极开路)、OE(发射极开路)的晶体管。考虑这些芯片内部结构及图3所示芯片外部连接关系，可得图5所示等效电路，U1输出级晶体管饱和导通时，U2内发光二极管导通，对应于图4所示波形的高电平区域；当U1输出级晶体管由饱和导通转为截止状态时，U1-9脚电位降低，导致U2内发光二极管退出导通状态，开始关断，对应图4所示波形的下降沿。按照“电力电子技术”课程讲授的知识，二极管关断过程中，需要流过反向电流。随着反向电流的流动，内部载流子逐渐复位，二极管才会关断。因为此时U1输出级晶体管已关断，此反向电流只能经R11、R10流向地，于是在这两个电阻上产生压降，抬高了U2-2脚电位，导致下降沿拖尾现象。因为U1-9脚连接在R11、R10电阻之间，所以U1-9脚电压波形也存在类似现象，但其电压变化曲线的幅值低于U2-2脚波形，具体数值基本符合两电阻的分压关系。

对上述拖尾现象原因的分析过程，可以通过实测波形来辅助。首先，U2-2脚、U1-9脚电压波形都存在拖尾现象，比较两个波形的细节可以发现，两者拖尾波形随时间的变化趋势一致、持续时间相同，表明两个波形有关联，来自同一原因的可能性大；比较两者的幅值，U2-2脚拖尾波形的幅度大于U1-9脚。其次，拆下U2芯片，再测U1-9脚电压波形，拖尾现象基本消失，表明U2芯片是导致拖尾现象的主要原因。随后，可由图5根据“电力电子技术”课程中器件动态过程知识来分析原因。限于篇幅，波形图不再给出。

图5 等效电路图

事实上，图3所示电路，是为了培养学生运用课程所学知识来分析问题、解决问题的能力而人为设计的一个“陷阱”，该电路的设计是不合适的。学生修改图3电路如图6所示，拖尾现象完全消失。

图6 修改后的隔离驱动电路原理图

另一方面，在“电力电子技术”课程教学内容中，既要回避深奥的半导体物理学知识，又要使学生从应用角度了解电力电子器件的工作机理，使器件的开关动态过程成为授课难点，尤其是电力二极管关断过程中流过反向电流这一关键点不易被学生理解和接受，且这一反向电流也不便进行实验验证。图4所示波形间接展示了二极管动态开关过程中的反向电流，为课堂相关讲授内容提供了支撑。

4 能力达成度的自我评价

为将能力培养目标具体化、让学生知道如何做，参照AACU VALUE Rubrics，针对专业特点、学生状况和电力电子技术课程实验的内容，制定了“电气专业电力电子技术课程实验能力评分规则表”，给出团队合作、批判性思维、创新、解决问题、沟通(含书面、口头)等五方面的评分规则。每一方面的评分规则都划分为4分、3分、2分、1分等4个档次，每档均给出“如何做”的细致说明。例如，解决问题方面的部分评分规则如表1所示。

在课程实验开始前，将上述能力评分规则表发给学生，并说明将按照该规则来评价每位学生的能力表现。在全部实验结束时，向学生发放“电气专业电力电子技术课程实验评分卡(匿名)”，请每位学生给自己所在小组的每位成员评分。