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1電力電子技術(shù)課堂教學(xué)難點(diǎn)舉例

西安交通大學(xué)王兆安和王進(jìn)軍教授主編的，由機(jī)械工業(yè)出版社出版的電力電子技術(shù)（第5版）第八章8.3.4節(jié)中的零轉(zhuǎn)換PWM電路為軟開關(guān)技術(shù)中的教學(xué)難點(diǎn)[3]，教材中僅僅對(duì)其工作原理做了簡單闡述，但是相對(duì)于其復(fù)雜的工作電路和工作波形，課堂上不但教師難以用最簡單的講解使學(xué)生明白，而且學(xué)生幾乎沒有什么興趣去學(xué)習(xí)，更談不上很好地掌握并與實(shí)際相結(jié)合。筆者經(jīng)過多年的課堂教學(xué)，以教材為主，結(jié)合參考書和相關(guān)的文獻(xiàn)資料，對(duì)教材上這部分知識(shí)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母脑?，在課堂上將其工作原理的文字部分通過圖解或者表格的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生理解其基本工作原理，然后將計(jì)算機(jī)仿真軟件引入到課堂教學(xué)中，通過課堂理論知識(shí)的具體應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而突破教學(xué)難點(diǎn)。下面將完全的課堂教學(xué)演算呈現(xiàn)出來。

1.1升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的工作原理教材193頁8.3.4節(jié)中對(duì)零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路常用的軟開關(guān)電路—升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的工作原理做了簡單的敘述，相對(duì)于其實(shí)際的電路的復(fù)雜性，簡單的幾句話不足以使學(xué)生理解并掌握其工作原理。現(xiàn)在筆者將升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路分為兩個(gè)教學(xué)過程，第一個(gè)是工作原理的詳細(xì)介紹；第二個(gè)是課堂知識(shí)的具體應(yīng)用。零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路如圖1所示[3]，相對(duì)于傳統(tǒng)的升壓型變換電路—Boost變換電路[4]（在教材第五章直流-直流變流電路的第123頁有詳細(xì)介紹），升壓型零電壓轉(zhuǎn)換電路在Boost變換電路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)輔助網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由輔助開關(guān)QZVT、諧振電感Lr、諧振電容Cr及二極管D2和D3組成。電路工作時(shí)，輔助開關(guān)QZVT先于主開關(guān)QMAIN開通，使ZVT諧振網(wǎng)絡(luò)工作，電容Cr上電壓(即主開關(guān)QMAIN兩端電壓)下降到零，創(chuàng)造主開QMAIN零電壓開通條件。下面結(jié)合其工作波形圖詳細(xì)介紹其工作原理。

設(shè)輸入電感足夠大，可以用恒流源IIN代替，而輸出濾波電容足夠大，輸出端可用恒壓源V0代替。設(shè)T<T0時(shí)，QMAIN和QZVT均關(guān)斷，D1導(dǎo)通，一個(gè)工作周期可分為七個(gè)工作模式[3]，其中每個(gè)工作模式可以等效一個(gè)電路。圖2為BoostZVT-PWM變換器工作波形圖。下面是一個(gè)周期內(nèi)Boost型ZVT-PWM變換器各個(gè)階段的運(yùn)行模式分析，一周期內(nèi)7個(gè)運(yùn)行模式的等效電路如圖3所示。

（1）T0～T1Lr電流線形上升階段。t=T0，輔助開關(guān)Tr1開通，諧振電感電流iLr線形上升，t=T1時(shí)達(dá)Is，二極管D的電流ID則由Is線形下降，t=T1時(shí)降到零電流下關(guān)斷，等效電路如圖3（a）所示。

（2）T1～T2諧振階段。LrCr諧振，電流iLr諧振上升，而電壓Vds由V0諧振下降。T=T2時(shí)，Vds=0，Tr的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通。等效電路如圖3（b）所示。

（3）T2～T3主開關(guān)Tr開通。由于Tr的體二極管已導(dǎo)通，創(chuàng)造了ZVS條件，因此應(yīng)當(dāng)利用這個(gè)機(jī)會(huì)，在t=T3時(shí)給Tr加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使Tr在零電壓下導(dǎo)通，等效電路如圖3（c）所示。

（4）T3～T4iLr線形下降階段。t=T3，Tr1關(guān)斷，由于D1導(dǎo)通，Tr1的電壓被鉗在V0值，Lr的儲(chǔ)能釋放給負(fù)載，其電流線形下降，等效電路圖如圖3（d）所示。

（5）T4～T5ids恒流階段。t=T4，D1關(guān)斷，這時(shí)Boost型ZVT-PWM變換器如同普通Boost型變換器的開關(guān)管導(dǎo)通的情況一樣，等效電路如圖3(e)所示。

（6）T5～T6Cr線形充電階段。t=T5，Tr關(guān)斷，恒流源Is對(duì)Cr線形充電，直至t=T6時(shí)，Vcr=Vo。等效電路圖如3（f）所示。

型變換器開關(guān)管關(guān)斷的情況一樣，處于續(xù)流狀態(tài)，直到t=T0，下一周期開始，等效電路圖如圖3(g)所示。剛才圖3所示的七個(gè)工作原理可以用七個(gè)運(yùn)行從上面的分析可以看出，經(jīng)過教師的巧妙處理，將教材193頁上復(fù)雜的升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的工作原理通過圖解結(jié)合文字解說的方式，進(jìn)行詳細(xì)的闡述，經(jīng)過這樣的處理，學(xué)生都能掌握和理解。接下來筆者將所學(xué)課堂理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，達(dá)到加深學(xué)生印象和突破難點(diǎn)的效果。

1.2課堂理論知識(shí)的具體應(yīng)用上面對(duì)升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的工作原理進(jìn)行了闡述，學(xué)生對(duì)其工作原理有了一定的理解，但是他們可能疑惑，學(xué)了這個(gè)知識(shí)難點(diǎn)，到底它具體應(yīng)用在哪些地方呢？逆變電路在教材第五章123頁對(duì)升壓變換電路的作用一個(gè)是電壓抬升，另外一個(gè)是是功率因數(shù)校正，這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)我們已經(jīng)掌握，那針對(duì)這次學(xué)的升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路，跟普通升壓型電路作用沒什么差別。于是筆者就將升壓型零電路應(yīng)用于功率因數(shù)校正電路中，一個(gè)是驗(yàn)證軟開關(guān)理論，另一個(gè)就是驗(yàn)證其功率因數(shù)校正功能。圖4所示為升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在功率因數(shù)校正電路中的具體應(yīng)用，其整個(gè)系統(tǒng)的工作原理首先是市電220V交流輸入，通過不控整流變成直流電，但是由于采用二極管整流以及大電感電容濾波，因此系統(tǒng)功率因數(shù)比較低，而且含有大量的高次諧波。關(guān)于功率諧波的危害在本教材69頁第三章整流電路中的3.5.1節(jié)中有詳細(xì)的闡述[6]，在這里不做具體敘述。由此可見，在不控整流電路中引入升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的主要目的就是提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，另外一方面，由于引入了新的電路，因此系統(tǒng)的效率會(huì)降低，由此需要采用軟開關(guān)技術(shù)來提升系統(tǒng)效率，這也是本節(jié)的軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)具體體現(xiàn)。根據(jù)電路理論和模擬電子技術(shù)的知識(shí)可以算出系統(tǒng)的元器件參數(shù)：輸入電壓Vin為單相220V，升壓電感L為470μH，諧振電感Lr為8.3μH，諧振電感Cr為958pF，輸出濾波電容Co為2200μF，開關(guān)頻率f為100kHz。然后在仿真軟件Pspice中搭建仿真模型并進(jìn)行仿真。圖中顯示了主開關(guān)管Tr是在輔助開關(guān)管Tr1關(guān)斷后才開通的，而且輔助開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間很短，顯著地減少了開關(guān)管Tr的損耗。圖7為主開關(guān)管Tr驅(qū)動(dòng)波形Vgs，漏源電流波形Ids以及漏源電壓Vds的仿真波形圖。圖中我們可以看到主開關(guān)管在開通前先有電流反向流過其體內(nèi)二極管，使漏極電壓箝位到零，再加驅(qū)動(dòng)脈沖從而實(shí)現(xiàn)零電壓開通。當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖變?yōu)榱銜r(shí)，由于主開關(guān)管Tr漏源極兩端并聯(lián)著諧振電容，使得主開關(guān)管Tr漏源兩端的電壓緩慢上升，從而實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，在這里筆者要特別強(qiáng)調(diào)這就是這節(jié)課學(xué)習(xí)難點(diǎn)的軟開關(guān)的工作原理。圖8為輸入交流電壓和電流波形圖，從圖中我們清楚地看到輸入電流很好跟隨交流輸入電壓，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的。因此通過零轉(zhuǎn)換PWM電路的課堂教學(xué)示范，可以得出以下結(jié)論：

1）學(xué)生可掌握升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本工作原理；

2）學(xué)生復(fù)習(xí)了功率因數(shù)校正的概念；

3）學(xué)生通過課堂所學(xué)理論知識(shí)的應(yīng)用將前面所學(xué)章節(jié)和本節(jié)課知識(shí)聯(lián)系起來，達(dá)到了融會(huì)貫通的效果。

4）最重要的是激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助他們更加容易地掌握課堂教學(xué)難點(diǎn)。

2結(jié)論

綜上所述,在電力電子技術(shù)課堂教學(xué)中，在針對(duì)教學(xué)難點(diǎn)的授課過程中，將文字?jǐn)⑹鐾ㄟ^圖形和圖表的方式表示出來，然后把計(jì)算機(jī)仿真軟件Pspice引入到課堂教學(xué)中，相對(duì)于傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)課堂教學(xué)，教學(xué)效果明顯，值得廣大高校電力電子技術(shù)專業(yè)課教師借鑒。

作者：萬力榮軍單位：湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院