“电力电子技术”课程教学中虚实融合式手段实践

牛天林，樊 波，张 强，张安堂，杨旭峰

（空军工程大学防空反导学院，陕西西安710051）

0 引言

“电力电子技术”是工科院校电气工程专业本科必修的一门专业基础课，它承载着学生专业理论知识向实践应用技能转化的重任，该课程内容集电力、电子和控制等技术于一体，具有非常强的理论性、实践性和应用性［1］。通过对一线教学过程和施教实效的跟踪审视，我们发现：教学理念落后、内容拘泥于教材、手段方法科学性不强、学以致用效果不好等问题还不同程度的存在，制约了“过程与方法、知识与技能”相统一教学目标的真正实现。

尽管针对该课程特点，利用计算机虚拟仿真实验辅助提升教学效果的做法已被广泛认可并开展了大量积极有益的尝试［2～5］，但总体上还偏重于验证教材内容，深度内涵不够；缺乏精心设计，与教学内容融合不好，从而导致未能全面发挥虚拟仿真技术的优势。另外，课程教学终极目标是让学生在“学会、理解知识”的基础上向具备“能用、善用技能”的方向发展，这就表明实践认知和实验训练是该课程教学进程中必不可缺的环节［6～8］。因此，如何更好地通过教学方法改革实现“虚实融合、合力促进”是“电力电子技术”课程教学中非常值得思考和研究的现实问题。

1 基本构想

我们在该课程教学中应用虚实融合式实践手段，坚持“瞄准问题、立足优势、精心设计、融合促进”的指导思想，其基本构想如图1所示。

图1 虚实融合式实践手段在课程教学中的应用构想

计算机虚拟仿真实验具有成本低、无风险、易于实现等优点，并且在器件选取、参数调整、条件设置、波形输出、数据分析等方面具有高度灵活性和便捷性，便于对理论知识的动态比较与研析。但基于数学模型的电路仿真求解具有一定的近似性和理想化特征，因此，虚拟仿真实验的手段更加适用于理论知识学习与理解阶段。

实物示教装置集功能主电路、控制电路、驱动电路、测量电路于一体，它的使用是以学生具有系统完善的理论基础和掌握常用电工仪表使用方法为前提，因此，更适用于升华技能的高级目标阶段。借助实物示教可启发学生对实物系统认知、锻炼基本动手技能、提升系统设计能力，使教学内容由单一理论知识讲解向学以致用方向推进转化。

将虚拟仿真实验和实物系统示教有机融入“电力电子技术”课程学习进程的关键在于“精心设计，融合增效”，它也是实践手段促进课程教学质量的纽带和桥梁。首先，要打破验证教材内容的常规作法，围绕课程教学重点和难点设计打造虚拟仿真电路案例，帮助学生理解和掌握知识要点。其次，实物示教装置应紧扣理论与实践紧密结合的主旨，围绕知识系统化、功能集成化、方法技巧化进行设计，充分发挥辅助学生认知实践的积极作用。同时，虚拟仿真实验和实物系统设计包含着分析、解决、研究电力电子电路的诸多有益思维和方法，在教学过程中应注重引导启发和感悟总结，从而内化成学生开展相关问题科学研究的方法与技能。

2 实践案例

2．1 教学内容描述

基本斩波电路是“电力电子技术”课程中“直流-直流变换”教学模块的开篇内容，它也是当前高能效开关电源的关键技术之一，主要以直流电源、功率开关管、储能元件为基础，通过不同拓扑结构和控制方式实现直流电压的升高或降低，从而满足用户的实际需求。

过去这部分内容的教学主要按照拓扑介绍、原理分析、理论计算的思路按部就班地讲解，教学反映和实施效果一般。究其原因在于方法单一，内涵深度挖掘不够。因此，作为改进举措，我们将虚实融合式实践手段引入这一教学进程。

2．2 虚拟仿真用于强化教学重难点理解

在降压斩波电路中（拓扑结构如图2（a）所示），由于系统参数的差异使其有电流连续和断续两种工作状态，可利用分段求解微分方程的方法推导出断续判据，如式1所示［1］。

其中，m为反电动势与电源电压的比值；α为占空比；ρ为功率开关管工作周期与常数τ的比值；常数τ为储能电感与负载电阻之比。显然，断续判据受多变量影响，如何深刻理解其内涵成为教学难点所在。

利用Matlab软件搭建降压斩波电路仿真模型，如图2（a）所示。仿真参数设置为：直流电源电压28 V；反电动势电压6 V；负载电阻5 Ω，IGBT触发脉冲频率5 kHz。固定其它参数，改变占空比α和储能电感L的值，仿真输出波形分别如图2（b）、（c）和（d）所示。

从仿真输出波形可以看出，当占空比为50%，储能电感为1 mH时，负载电流连续；保持占空比不变，将电感值减小至0．2 mH，负载电流出现断续情况，这是由于电感较小导致IGBT导通阶段内储能较少，不能够满足其关闭阶段的全程蓄流要求；保持电感值为0．2 mH，增大占空比至75%，负载电流又恢复连续状态，这是因为尽管电感储能能力较小，但适当增大工作周期内储能时间（周期内释放能量时间相应减少）仍可保持连续状态。

图2 降压斩波仿真模型及输出波形

因此，可得结论：电感值大小决定周期内储存和释放能量的速度；而占空比则反映周期内储存与释放能量过程的时间分配，它们共同影响着降压斩波电路的断续与否。显然，借助虚实仿真实验结果的分析非常有助于学生理解难点知识内涵，并进一步强调了准确选取电路参数的重要性。同时，再提出改变IGBT工作周期和负载电阻的仿真实验要求，由学生课后自主实验并分析现象，从而巩固学习思维与方法，实现课内与课外的互补。

2．3 实物示教用于提升学生实践技能

升压斩波电路与降压斩波电路在内容和方法上具有很多相似之处，为提高学习实效，一方面采用差异对比法讲解两者原理，另一方面则侧重于从认知实践角度强化技能训练。对于后者，我们引入自主设计制作的升压斩波电路示教装置，如图3所示。其引入的主要用意在于：“系统认知、重点强化、技能训练和深度启发”。

图3 升压斩波电路实物示教装置

（1）系统认知。示教装置以功能主电路为主体，包含PWM控制信号产生电路、功率开关管驱动电路、滤波电路、脉宽与频率调节旋钮、预留信号测试端子等，构成了一套典型的电力电子电路系统。学生借助装置可弥补教材中仅讲解功能主电路原理的不足，形成更为系统完善的认知，为理论知识向实践应用的转化奠定基础。

（2）重点强化。驱动控制是电力电子电路非常重要的问题，采用专用PWM控制芯片SG3525及其外围电路构成［9］。一方面，通过改变外接阻容参数可产生不同开关频率（调节CT端子外接电容或RT端子外接电阻）；另一方面，在芯片脉宽比较器输入端直接将流过电感线圈信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比。因此，设置外部旋钮用于改变对应位置阻容值，实现工作频率和占空比的简易可调，便于电路的动态比较与分析。

（3）技能训练。学生在教师示范操作之后可进行自主操作，有助于对交直流电源、示波器、万用表、电子负载等常用电气仪表使用技能的提升。操作案例：直流输入电源12 V，负载电阻值60 Ω，工作频率调节为40 kHz，分步调整占空比，测量记录的电路主要工作参数如表1所示：

表1 升压斩波电路主要工作参数

学生通过动手操作得出数据，以此分析理论与实际值的偏差，了解电力电子电路中的功率损耗问题。

（4）深度启发。如果继续大幅增大占空比，控制信号将出现急剧不稳定现象，输出直流电压也不能按照理论公式（2）无限升高。

式中，Uin为直流输入电压，Uour为直流输出电压，D为点空比。

针对这一现象开展课堂互动讨论，得出结论：受器件工作性能、电路工作机理和保护门限设置等综合因素影响，升压斩波电路只能在一定的频率、电压、功率范围内可靠工作，这便是为什么常见斩波电路模块的输入输出参数标识都是范围值的缘故。因此，在今后的设计应用中，学生应格外重视参数设计和电路的可靠性等问题。

3 结语

通过“精心设计、融合增效”的举措，我们将虚拟仿真和实物示教有机融入“电力电子技术”课程教学中。这种瞄准教学中实际问题、注重启发引导、突出技能培养的融合式实践教学手段，较好地实现了提升教学质量和解决学以致用的问题，并可为实践教学在电工类课程中的科学应用提供有益借鉴。