新时代背景下电力电子技术课程思政教学案例设计

吴文进* 江善和 李彦梅 纪娟娟 曹文君

（安庆师范大学电子工程与智能制造学院 安徽·安庆 246133）

0 引言

在2016年全国高校思想政治工作会议上，习近平总书记强调各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。这次会议一方面强调了高校思想政治工作的重要性，另一方面提出了思想政治教育工作的新方法，即要求在各个专业课的教学环节中引入思想政治教学内容。其实工科很多专业知识都有其丰富的发展背景和广阔的产业应用前景，其中都蕴含着丰富的思想政治教育素材，如何充分发掘是当前新工科教育背景下教育教学改革的重要课题。“电力电子技术”是普通应用型本科高校自动化专业的一门专业核心课程，以我校自动化专业为例，电力电子技术课程教学学时包括理论课51学时和实验课12学时，通过理论和实验课程的学习，要求学生树立严谨的科学作风、具备科学的逻辑思维能力、较强的计算能力和分析归纳能力，掌握电力电子电路的基本理论和基本分析方法，熟悉各开关器件的特性，熟悉各种电力变换电路的原理等[1]。

在过去的电力电子技术课程教学中，只侧重于理论知识的讲授，忽视了以“思政”为目标的教学内容，不能构建全员全程全方位育人的培养模式[2]。近年来，电力电子技术专业理论知识在产业技术新领域应用广泛，可挖掘的思政教育资源丰富，本文选择在课本第一章中的IGBT器件知识点教学过程中尝试加入与之相联系的思政元素，通过教学案例设计帮助学生了解我国电力电子器件技术的发展和电力电子装置研发及其现有技术水平，触发学生的爱国情怀，增强科技自信、文化自信和道路自信，促进学生树立科学的人生观和价值观。

1 IGBT器件组成结构教学中的思政元素案例

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是由GTR（双极型三极管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型功率半导体器件，采用电压驱动方式工作，兼有MOSFET和GTR两方面的优点，输入阻抗高，导通压降低。GTR饱和导通时，器件本身压降低且载流密度大，但GTR属于电流驱动型器件，需要较大驱动电流才能工作；MOSFET在开关动作时只需要很小的驱动功率，而且开关速度快，但器件本身导通压降大且通过电流较小。综合了以上两种器件的优点，驱动功率小，饱和压降低，载流密度大，应用范围广。从低压系统到中高压系统均可使用IGBT器件，特别是在直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域的应用极大的提高了装置的性能。讲授以上知识点时可以加入思政元素：增强学生之间团结合作意识。个体的特长往往是不相同的，不同个体进行合作，按照各自特长分工，则可以实现单一个体无法实现的更高目标。因此，对于当代大学生而言，培养团队精神和团结合作意识非常重要。当今很多大科学工程都需要团队密切合作，充分发挥每个团队成员特长才能顺利实现，例如我国的北斗卫星导航系统工程、神舟系列载人航天工程、中国空间站、极地科考等都需要很多方面特长专家密切协作才能完成工程任务。个体的力量是弱小的，因此只有个体与个体或者个体加入到集体当中去，发挥出与别人的合作关系，才能更易实现自身的目标，同时也能够更好的实现在集体之中的自我价值。

2 IGBT器件特性教学中的思政元素案例

绝缘栅双极型晶体管的基本特性分析包括静态特性分析和开关特性分析，如图1和图2所示。图1表明静态特性包括正向阻断区、有源区、饱和区和反向阻断区，显示了不同的驱动电压UGE下输出端电压UCE与电流 IC的关系，在电力电子装置中，IGBT器件一般工作在正向阻断区和饱和区。相比较静态特性，IGBT的开关过程更加复杂，包括开通过程和关断过程，分析时需要分多个阶段状态进行。开通过程具体包括：开通延迟阶段（td(on)），电流上升阶段（tri），集射电压uCE下降阶段（tfv1和tfv2）。关断过程具体包括：关断延迟阶段（td(off)），集射电压上升阶段（trv），集电极电流下降阶段（tfi1和 tfi2）[3-6]。

图1：静态特性

IGBT器件的静态特性和开关特性分析过程复杂，各阶段状态的电压和电流变化规律均与PN结之间的寄生电阻、寄生电容和寄生电感密切相关，分析难度大，是电力电子器件章节学习中的重点、难点和痛点。由于课本教材的局限性，需要同学们在学习该知识点时查阅IGBT器件参数说明书以及半导体物理知识书籍，帮助清晰理解开关过程特性。在讲授以上知识点时可以加入思政元素：只有刻苦努力，用心用功，广泛查阅相关科技书籍资料，才能取得专业技术水平的显著提高。专业课基本理论的学习需要有求真务实、不畏困难和精益求精的工匠精神，需要有踏实、严谨、耐心专注、追求卓越的优秀品质，同时也要相信自己的学习潜力。

3 IGBT器件应用教学中的思政元素案例

作为电力电子重要的主流器件之一，IGBT已经广泛应用于常见的各种消费电子产品、家用电器、交通运输工具、电力工程设备、可再生能源并网系统、储能电站和智能电网等领域，如电动汽车、高铁、逆变器、变频器、UPS、风力发电与太阳能发电中的并网设备，应用范围几乎覆盖了低压（低于600V）、中压（600V-1200V）和高压（大于1200V）等各类型的设备[7]。

3.1 IGBT器件在高铁中的应用案例

图2：动态特性

我国的高铁采用牵引网单相供电方式，三相110kV或者220kV等级电压通过牵引变电所降压为25kV，再单相供电给接触网，由受电弓引入高铁机车内部。以CHR1型动车组为例，在机车内部，接入的25kV单相交流电先经过车载牵引变压器降压为1860 V，然后再送给机车牵引变流器，其内部由IGBT器件构成的桥式主电路实现电压（0～1400 V）和频率（0～152Hz）均可调节的三相交流电输出，驱动三相交流异步牵引电机工作，牵引高速列车按设定的速度运行，可见IGBT器件是实现高铁列车起动、调速和制动过程的核心部件。

2008年，我国第一条高铁京津城际铁路开通，一辆8列标准动车组需要152个高等级IGBT模块，成本达两百万元。当时我国不具备IGBT器件制造能力，所以每年需要向国外采购十万个以上IGBT模块，费用超过12亿元人民币。大功率 IGBT的制造工艺难度主要是在于随着功率的不断增大，对器件效率、散热机能、材料热膨胀和耐热性能都提出更高要求。

高等级的 IGBT制造技术早期被德国日本等国家垄断，例如高铁用的IGBT主要来自日本三菱重工，电动汽车用的IGBT主要来自德国英飞凌。通过“十二五”科技攻关，2014年6月20日，世界第二条、全国首条8英寸IGBT专业芯片线在株洲中车电力机车研究所全面建成投产，它打破了国外在高端IGBT芯片技术上的垄断，解决关键核心技术卡脖子问题。目前，株洲中车自主研发的生产线每年可以生产50万个供高铁使用的IGBT芯片，不仅可以满足自己的需求，而且还达到出口国外的标准[8]。在讲授以上知识点时可以加入思政元素：掌握核心技术的重要性。我们每一项技术的突破，都带动了整个产业体系的升级，而每一项体系的升级，最终推动了中国制造技术走向全球。科技是第一生产力，核心技术是国之重器，是国家实力的关键。只有核心技术掌握在自己手中，才能够不受制于人。作为新时代大学生，同学们要把个人的成长与国家发展紧密联系在一起，坚守初心使命，刻苦学习专业知识，顽强拼搏，勇攀科技高峰，担负起民族复兴和国家富强的历史重任。

3.2 IGBT器件在新能源发电中的应用案例

太阳能发电系统是将光伏电池阵列输出的直流电转化成常规电气设备所需要的50Hz交流电，可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统，两种系统中光伏逆变器都是主要设备，而组成光伏逆变器的核心器件就是IGBT。风力发电系统是由风力驱动发电装置桨叶旋转，旋转的桨叶再带动发电机（主要有：异步发电机、同步发电机、永磁式发电机和无刷双馈发电机）工作输出电能。为确保风力发电机可在大范围的风速变化时保持高效运行，风力发电机系统中需要装设由发电机侧变换器与电网侧变换器组成的高性能的电力电子变换器，IGBT是构成该电力电子变换器的核心器件。

高性能IGBT制造技术的自主产业化，推动了我国新能源发电技术的进一步发展。国家能源局发布全国电力工业统计数据显示，2020年全国风电新增装机容量7167万千瓦，太阳能发电新增装机容量4820万千瓦。截止2020年底，我国风力发电累计装机28153万千瓦，太阳能发电累计装机25343万千瓦，规模均居世界第一位。在讲授以上知识点时可以加入思政元素：我国已经制定了2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”的总目标，任务非常艰巨。目标要求建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，建立清洁、低碳、高效、安全的现代化能源生产和消费体系。作为新时代电气自动化专业大学生，应该具备责任意识和使命担当意识，更加刻苦努力学习，打扎实电力电子技术等专业课程的理论和实践基础，积极投身到太阳能、风能、生物质能、地热能、核能、氢能、储能、能源互联网等新能源技术创新与研发工作中去，推动我国新能源技术快速突破。通过讲述我国新能源产业技术发展现状，激发学生爱国情感，培养专业学习兴趣，增强民族自豪感，增强道路自信、制度自信，鼓励学生敢于创新，勇于创新。

4 结论

本文以电力电子技术课程中 IGBT器件这一节内容为案例，深入挖掘课本理论知识点教学中蕴含的丰富思政教育资源，将专业理论知识传授、专业技术能力培养和学生成长过程中科学价值观人生观塑造有效融合到电力电子技术专业课程教学中，促进专业课程思政与思政课程同向同行、协同育人，形成了全员全程全方位的育人格局，为培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人提供了坚强保障。