屈克慶?趙晉斌

摘要：“電力電子分析與設(shè)計”介紹了以MOSFET、IGBT為功率器件的現(xiàn)代電力電子電路分析和設(shè)計方法，著重講授DC/DC和DC/AC這兩種變換的理論和實踐。分析了電力電子技術(shù)的教學(xué)現(xiàn)狀，介紹了教學(xué)目的和特點，給出了教學(xué)內(nèi)容和安排，最后對教學(xué)效果進行了總結(jié)。為高等本科生實施電力電子技術(shù)方面的課程建設(shè)提供了一種參考做法。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；實踐教學(xué)；教案

作者簡介：屈克慶（1970-），男，河南洛陽人，上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，副教授。（上海 200090）

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0077-02

“電力電子分析與設(shè)計”課程是上海電力學(xué)院（以下簡稱“我院”）本科生教育中為電力電子與風(fēng)力發(fā)電專業(yè)方向開設(shè)的一門專業(yè)選修課，也是必選課程。這門課程著重教授現(xiàn)代電力電子技術(shù)內(nèi)容，要求理論課程與實踐緊密結(jié)合，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的理論知識和實踐能力為目的，能為本科畢業(yè)設(shè)計和今后工作奠定良好的基礎(chǔ)，以期滿足當(dāng)今社會急劇增長的對電力電子技術(shù)的知識和人才需求。

一、教學(xué)現(xiàn)狀和分析

電力電子技術(shù)是一門關(guān)于電能變換與利用的學(xué)科，涉及到發(fā)電、輸電、配用電、傳動等各個環(huán)節(jié)。隨著當(dāng)今社會迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)、交通運輸、生活醫(yī)療、新能源發(fā)電等各個方面，這些都與實踐內(nèi)容密切相關(guān)。

電力電子技術(shù)是在時代發(fā)展要求下產(chǎn)生的節(jié)能與發(fā)電技術(shù)，是高校電氣專業(yè)的一門重要課程，其理論性和工程實踐性都很強，是學(xué)生既感興趣，又普遍感覺較難的一門課程。結(jié)合多年的教學(xué)實踐總結(jié)，探討了這其中的主要原因，大概可分為以下三個方面：

1.電力電子技術(shù)內(nèi)容繁多，并且知識點分布廣泛

根據(jù)應(yīng)用的場合和要求不同，電力電子電路形式和內(nèi)容紛繁多樣。

從應(yīng)用場合上劃分主要有基本四種變換形式：直流-直流、直流-交流、交流-直流、交流-交流；每種變換形式從電源種類上看包括有單相、三相、多重化、多電平電路，從負載方面上看包括有電阻負載、阻感負載、阻容負載；從電力電子元件上看主要包括有二極管、晶體管、晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管GTO、場效應(yīng)管MOSFET、絕緣柵型場晶體管IGBT；采用不同的元件、電路和負載都會產(chǎn)生不同的效果。

從應(yīng)用目的上包括有幅值的變化（如電壓的升高與降低）、頻率的改變（如變頻調(diào)速）、相位的移動（如無功補償）、相數(shù)的改變（如三相到多相）、功率或轉(zhuǎn)矩的變化（如電機傳動）、諧波的治理（如電力濾波）。

從不同形式的電力電子電路和不同的負載特性上，都可以得到不同的工作波形，對于波形的把握與理解，也是電力電子技術(shù)區(qū)別于其他學(xué)科的顯著特點之一。這需要在理解電力電子器件的特性上掌握電路的功能和結(jié)構(gòu)特點，建立電路的數(shù)學(xué)模型，并進行多種電路的對比總結(jié)，才能具備分析主電路功能的基本能力。

2.電力電子技術(shù)涵蓋涉及學(xué)科眾多，并且理論內(nèi)容廣泛

既涵蓋到電氣基礎(chǔ)的課程有：電路、電子技術(shù)、電機學(xué)、電磁場，又涉及到電氣專業(yè)的課程有：控制理論、微機原理、電力系統(tǒng)分析、運動控制系統(tǒng)等。

電力電子技術(shù)是一門弱電控制強電的技術(shù)，也是所謂將“粗電”變換為“精電”過程，學(xué)科跨度和綜合性非常廣。實際的電力電子裝置既包括由電力電子器件等構(gòu)成的主電路，又包括由DSP等微處理器構(gòu)成的控制電路。

首先在主電路設(shè)計中，根據(jù)以電路、電機和電力系統(tǒng)為主的應(yīng)用對象，進行原理分析和推證，實施具體的功能要求和性能指標(biāo)。

其次在控制電路設(shè)計中，要根據(jù)裝置要求和特點，不僅要實現(xiàn)各種功能要求，而且考慮諧波及電磁干擾問題，很多裝置也需要DSP等微處理器來進行算法實現(xiàn)。最后還要進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和測試EMI影響。

大學(xué)三年級本科生已具備了電路、電機的基礎(chǔ)知識，講授電力電子技術(shù)課程是以主電路作為內(nèi)容。由于在初步學(xué)習(xí)各專業(yè)課階段，尚未形成多學(xué)科知識交叉匯總的全面思維模式。雖然能掌握主電路基本原理，對于涉及控制電路和應(yīng)用對象，常感到困惑并難以理解。如何培養(yǎng)學(xué)生形成對電學(xué)各學(xué)科的整體意識，而不能“只見樹木，不見森林”，是這項教學(xué)課程所要探討的主要內(nèi)容和目的之一。

3.電力電子技術(shù)的理論內(nèi)容發(fā)展迅速，并且實踐應(yīng)用范圍廣泛多樣

電力電子技術(shù)自身的理論體系處于迅速發(fā)展階段。其中：電力電子器件的發(fā)展起決定性作用，從二極管、三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT、IGCT等的發(fā)展，推動了主電路結(jié)構(gòu)的本質(zhì)變化；根據(jù)本質(zhì)不同的器件形成紛繁多樣的主電路拓撲形式，又因不同的實際要求而形成眾多獨立不同的控制方式，其中形成了具有突破性的控制理論，比如PWM技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、空間矢量等。

如何將電力電子器件、主電路結(jié)構(gòu)、控制方法和理論相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生從電力電子技術(shù)的發(fā)展來全面理解和掌握知識，懂得從發(fā)展歷史上進行思考和總結(jié)，也是需要探討的內(nèi)容之一。

電力電子技術(shù)的實踐性非常強，這種實踐性體現(xiàn)在對電力電子裝置的設(shè)計、調(diào)試和操作等諸多方面。在實踐中，需要對電路功能和各項指標(biāo)進行綜合驗證，不僅要求懂得硬件設(shè)計和調(diào)試，涉及到主電路、元器件、印刷電路板、布線和布局；也要求懂得軟件設(shè)計和配合，包括有匯編、C語言、DSP、FPGA等。電力電子器件對環(huán)境和用法要求較高，在使用之前需要對電路非常熟悉，即便是工作經(jīng)驗豐富的人員，也還有預(yù)料不到的情況發(fā)生，導(dǎo)致器件和電路損壞。

對于大三學(xué)生而言，僅僅具備了有限的初步認(rèn)識，實踐能力欠缺，體現(xiàn)在實驗教學(xué)當(dāng)中，電力電子器件的損壞現(xiàn)象最為普遍。這當(dāng)中自然有主觀的因素，但是如何降低損耗，增強學(xué)生實踐意識，提高學(xué)生動手能力，也是教學(xué)改革面臨的難點和重點之一。

二、教學(xué)目的和特點

從本科教學(xué)計劃上看，大學(xué)本科生在第三學(xué)年學(xué)習(xí)了“電力電子技術(shù)”，這門課程內(nèi)容豐富，但因2～3學(xué)分課時有限，主要是講授以晶閘管為主的整流和逆變電路，讓學(xué)生掌握傳統(tǒng)的相控式電路及應(yīng)用。此外，也著重講授直流變換電路中的升壓及降壓基本工作原理，初步介紹MOSFET和IGBT為主的斬控式逆變和整流電路。通過對這門課程的教授，使學(xué)生掌握四種基本變換的主電路拓撲結(jié)構(gòu)和特點，對電力電子技術(shù)有了基本認(rèn)識，奠定了學(xué)生的基本電力電子知識體系。

結(jié)合前述情況的分析可知，現(xiàn)有的課程內(nèi)容不完全適應(yīng)我院新開辟的“電力電子與風(fēng)力發(fā)電”專業(yè)方向的教學(xué)需要，除此之外，近十多年間電力電子技術(shù)在節(jié)能、傳動、新能源、電力系統(tǒng)等行業(yè)迅猛發(fā)展，因此有必要在課程內(nèi)容中增加這方面知識的比重，以及通過增設(shè)“電力電子分析與設(shè)計”專業(yè)選修課的方式拓展學(xué)生的知識面。

這門課程介紹由IGBT和MOSFET為主要電力電子器件所構(gòu)成的現(xiàn)代電力電子電路，重點要求掌握直流-直流斬波器、直流-交流逆變器這兩種應(yīng)用最普遍系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法。內(nèi)容包括主電路的選擇、功率器件的選擇、控制電路的設(shè)計、驅(qū)動和保護電路的設(shè)計、變壓器設(shè)計及元件參數(shù)的技術(shù)、仿真實踐等。該課程注重將理論分析和實際應(yīng)用相結(jié)合，使學(xué)生掌握新型電力電子電路的分析方法，具備初步的設(shè)計能力。

三、課程內(nèi)容

現(xiàn)代電力電子技術(shù)主要是圍繞PWM技術(shù)展開的，其中DC/DC和DC/AC變換是基本的兩種電源變換方式，也是實踐生產(chǎn)中最為普遍的應(yīng)用方式，不僅涉及到基本的變換電路及參數(shù)，而且涵蓋了基本的變換理論和技術(shù)。

課程內(nèi)容結(jié)合了多年的實踐和教學(xué)總結(jié)，是從電力電子裝置的角度來傳授相關(guān)理論、知識和經(jīng)驗，培養(yǎng)學(xué)生對電力電子的系統(tǒng)知識，樹立整體觀念。教學(xué)形式以理論教學(xué)和仿真實踐相結(jié)合，各占一半課時。這兩部分內(nèi)容交叉進行，如單周進行理論教學(xué)，雙周進行實踐教學(xué)。其中：第一部分理論教學(xué)內(nèi)容安排如下表1所示。在理論教學(xué)的同時，配合進行以MATLAB的實踐教學(xué)，仿真實踐內(nèi)容安排如下列表2所示。

四、教學(xué)效果總結(jié)

經(jīng)過2學(xué)期的教學(xué)工作，筆者總結(jié)了一下教學(xué)效果。同學(xué)們普遍認(rèn)為在學(xué)習(xí)這門課程以后，能夠全面理解和掌握以DC/DC斬波變換，以及DC/AC逆變的基本原理和基本控制方法，學(xué)會了應(yīng)用Matlab仿真軟件對電力電子電路進行分析方法，設(shè)計控制電路參數(shù)和調(diào)試控制參數(shù)。在后期的本科畢業(yè)設(shè)計中，學(xué)生能夠輕松上手，對復(fù)雜的畢業(yè)設(shè)計如新能源發(fā)電，領(lǐng)悟和掌握較快，較多同學(xué)的畢業(yè)論文被評為優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計論文。不足之處在于，由于受制于課時和實踐條件有限，只是通過仿真實踐來掌握學(xué)習(xí)。如果能進一步聯(lián)系實驗教學(xué)，更能提高學(xué)生的感性認(rèn)識，提高動手實踐能力。

在今后的教學(xué)實踐中，仍然面臨提高本科學(xué)習(xí)興趣、全面提高學(xué)生理論知識水平和動手實踐能力等問題，這些都是值得深入分析和探討，不斷改進完善的重要課題。

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（責(zé)任編輯：王意琴）