课堂教学电力电子论文

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1电力电子技术课堂教学难点举例

西安交通大学王兆安和王进军教授主编的，由机械工业出版社出版的电力电子技术（第5版）第八章8.3.4节中的零转换PWM电路为软开关技术中的教学难点[3]，教材中仅仅对其工作原理做了简单阐述，但是相对于其复杂的工作电路和工作波形，课堂上不但教师难以用最简单的讲解使学生明白，而且学生几乎没有什么兴趣去学习，更谈不上很好地掌握并与实际相结合。笔者经过多年的课堂教学，以教材为主，结合参考书和相关的文献资料，对教材上这部分知识进行了适当的改造，在课堂上将其工作原理的文字部分通过图解或者表格的形式展现在学生面前，让学生理解其基本工作原理，然后将计算机仿真软件引入到课堂教学中，通过课堂理论知识的具体应用，激发学生的学习兴趣，从而突破教学难点。下面将完全的课堂教学演算呈现出来。

1.1升压型零电压转换PWM电路的工作原理教材193页8.3.4节中对零电压转换PWM电路常用的软开关电路—升压型零电压转换PWM电路的工作原理做了简单的叙述，相对于其实际的电路的复杂性，简单的几句话不足以使学生理解并掌握其工作原理。现在笔者将升压型零电压转换PWM电路分为两个教学过程，第一个是工作原理的详细介绍；第二个是课堂知识的具体应用。零电压转换PWM电路如图1所示[3]，相对于传统的升压型变换电路—Boost变换电路[4]（在教材第五章直流-直流变流电路的第123页有详细介绍），升压型零电压转换电路在Boost变换电路的基础上增加了一个辅助网络，该网络由辅助开关QZVT、谐振电感Lr、谐振电容Cr及二极管D2和D3组成。电路工作时，辅助开关QZVT先于主开关QMAIN开通，使ZVT谐振网络工作，电容Cr上电压(即主开关QMAIN两端电压)下降到零，创造主开QMAIN零电压开通条件。下面结合其工作波形图详细介绍其工作原理。

设输入电感足够大，可以用恒流源IIN代替，而输出滤波电容足够大，输出端可用恒压源V0代替。设T<T0时，QMAIN和QZVT均关断，D1导通，一个工作周期可分为七个工作模式[3]，其中每个工作模式可以等效一个电路。图2为BoostZVT-PWM变换器工作波形图。下面是一个周期内Boost型ZVT-PWM变换器各个阶段的运行模式分析，一周期内7个运行模式的等效电路如图3所示。

（1）T0～T1Lr电流线形上升阶段。t=T0，辅助开关Tr1开通，谐振电感电流iLr线形上升，t=T1时达Is，二极管D的电流ID则由Is线形下降，t=T1时降到零电流下关断，等效电路如图3（a）所示。

（2）T1～T2谐振阶段。LrCr谐振，电流iLr谐振上升，而电压Vds由V0谐振下降。T=T2时，Vds=0，Tr的反并联二极管导通。等效电路如图3（b）所示。

（3）T2～T3主开关Tr开通。由于Tr的体二极管已导通，创造了ZVS条件，因此应当利用这个机会，在t=T3时给Tr加驱动信号，使Tr在零电压下导通，等效电路如图3（c）所示。

（4）T3～T4iLr线形下降阶段。t=T3，Tr1关断，由于D1导通，Tr1的电压被钳在V0值，Lr的储能释放给负载，其电流线形下降，等效电路图如图3（d）所示。

（5）T4～T5ids恒流阶段。t=T4，D1关断，这时Boost型ZVT-PWM变换器如同普通Boost型变换器的开关管导通的情况一样，等效电路如图3(e)所示。

（6）T5～T6Cr线形充电阶段。t=T5，Tr关断，恒流源Is对Cr线形充电，直至t=T6时，Vcr=Vo。等效电路图如3（f）所示。

型变换器开关管关断的情况一样，处于续流状态，直到t=T0，下一周期开始，等效电路图如图3(g)所示。刚才图3所示的七个工作原理可以用七个运行从上面的分析可以看出，经过教师的巧妙处理，将教材193页上复杂的升压型零电压转换PWM电路的工作原理通过图解结合文字解说的方式，进行详细的阐述，经过这样的处理，学生都能掌握和理解。接下来笔者将所学课堂理论知识与实际应用相结合，达到加深学生印象和突破难点的效果。

1.2课堂理论知识的具体应用上面对升压型零电压转换PWM电路的工作原理进行了阐述，学生对其工作原理有了一定的理解，但是他们可能疑惑，学了这个知识难点，到底它具体应用在哪些地方呢？逆变电路在教材第五章123页对升压变换电路的作用一个是电压抬升，另外一个是是功率因数校正，这两个知识点我们已经掌握，那针对这次学的升压型零电压转换PWM电路，跟普通升压型电路作用没什么差别。于是笔者就将升压型零电路应用于功率因数校正电路中，一个是验证软开关理论，另一个就是验证其功率因数校正功能。图4所示为升压型零电压转换PWM电路在功率因数校正电路中的具体应用，其整个系统的工作原理首先是市电220V交流输入，通过不控整流变成直流电，但是由于采用二极管整流以及大电感电容滤波，因此系统功率因数比较低，而且含有大量的高次谐波。关于功率谐波的危害在本教材69页第三章整流电路中的3.5.1节中有详细的阐述[6]，在这里不做具体叙述。由此可见，在不控整流电路中引入升压型零电压转换PWM电路的主要目的就是提高系统的功率因数，另外一方面，由于引入了新的电路，因此系统的效率会降低，由此需要采用软开关技术来提升系统效率，这也是本节的软开关技术应用的一个具体体现。根据电路理论和模拟电子技术的知识可以算出系统的元器件参数：输入电压Vin为单相220V，升压电感L为470μH，谐振电感Lr为8.3μH，谐振电感Cr为958pF，输出滤波电容Co为2200μF，开关频率f为100kHz。然后在仿真软件Pspice中搭建仿真模型并进行仿真。图中显示了主开关管Tr是在辅助开关管Tr1关断后才开通的，而且辅助开关管导通时间很短，显著地减少了开关管Tr的损耗。图7为主开关管Tr驱动波形Vgs，漏源电流波形Ids以及漏源电压Vds的仿真波形图。图中我们可以看到主开关管在开通前先有电流反向流过其体内二极管，使漏极电压箝位到零，再加驱动脉冲从而实现零电压开通。当驱动脉冲变为零时，由于主开关管Tr漏源极两端并联着谐振电容，使得主开关管Tr漏源两端的电压缓慢上升，从而实现零电压关断，在这里笔者要特别强调这就是这节课学习难点的软开关的工作原理。图8为输入交流电压和电流波形图，从图中我们清楚地看到输入电流很好跟随交流输入电压，实现了功率因数校正的目的。因此通过零转换PWM电路的课堂教学示范，可以得出以下结论：

1）学生可掌握升压型零电压转换PWM电路的基本工作原理；

2）学生复习了功率因数校正的概念；

3）学生通过课堂所学理论知识的应用将前面所学章节和本节课知识联系起来，达到了融会贯通的效果。

4）最重要的是激发了学生的学习兴趣，帮助他们更加容易地掌握课堂教学难点。

2结论

综上所述,在电力电子技术课堂教学中，在针对教学难点的授课过程中，将文字叙述通过图形和图表的方式表示出来，然后把计算机仿真软件Pspice引入到课堂教学中，相对于传统的电力电子技术课堂教学，教学效果明显，值得广大高校电力电子技术专业课教师借鉴。

作者：万力荣军单位：湖南理工学院信息与通信工程学院