電力電子課程的主要內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn)及解決方法
電力電子課程的主要內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn)及解決方法
電力電子課程理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)，是專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及到電、磁、熱等綜合知識(shí)，課程教學(xué)內(nèi)容結(jié)合本科階段的學(xué)習(xí)能力，將熱設(shè)計(jì)部分作為自學(xué)或參考內(nèi)容，不做課程講授，同時(shí)把重點(diǎn)、難點(diǎn)分散；強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)的同時(shí)，結(jié)合電力電子技術(shù)的最新發(fā)展補(bǔ)充新的授課內(nèi)容；理論教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，通過(guò)實(shí)例和應(yīng)用分析來(lái)帶動(dòng)各知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生在饒有興趣中完成課堂學(xué)習(xí)；同過(guò)必做和選做式作業(yè)，完成梯度式教學(xué)，適應(yīng)不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，面向?qū)W力稍弱的學(xué)生強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)內(nèi)容，面向?qū)W力好的學(xué)生提供開放式題目和創(chuàng)新課題指導(dǎo)以提高其創(chuàng)新能力。
課程教學(xué)的主要內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn)及解決方法為：
0 緒論
重點(diǎn)：電力電子技術(shù)專業(yè)特點(diǎn)和應(yīng)用。解決辦法：系統(tǒng)介紹電力電子課程專業(yè)特點(diǎn)和應(yīng)用，根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)提出參考學(xué)習(xí)方法，給出專業(yè)課程的網(wǎng)站，互動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)演示精品課程網(wǎng)站的使用方法，方便學(xué)生提供課程學(xué)習(xí)效率，將網(wǎng)絡(luò)與課堂教學(xué)互為補(bǔ)充。
1 晶閘管器件
重點(diǎn)：晶閘管的開關(guān)條件；晶閘管的開關(guān)特性和物理構(gòu)成的關(guān)系；晶閘管的參數(shù)含義；晶閘管的電流定額折算方法。
難點(diǎn)：正弦半波的有效值折算方法；晶閘管的電流定額選取。
解決辦法：通過(guò)互動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)演示晶閘管的開關(guān)實(shí)驗(yàn),有助于學(xué)生熟悉晶閘管的開關(guān)條件和半控工作條件；采用多媒體和實(shí)物模型幫助學(xué)生對(duì)晶閘管有直觀認(rèn)識(shí)，方便學(xué)生掌握晶閘管的電氣特點(diǎn)；通過(guò)工程設(shè)計(jì)實(shí)例幫助學(xué)生理解器件各種參數(shù)定額含義，掌握器件的參數(shù)設(shè)計(jì)方法；通過(guò)課堂練習(xí)和講解強(qiáng)調(diào)晶閘管的正弦半波的有效值折算原則，熟悉晶閘管電流定額的計(jì)算和選取，進(jìn)而掌握晶閘管電流的具體計(jì)算折算方法。
2.1 單相半波整流電路
重點(diǎn)：注意掌握整流電路的分析方法（工作原理/波形分析/量化分析）、電路按時(shí)域劃分的線性等效電路的分析、電路波形分析與數(shù)量計(jì)算。
難點(diǎn)：電路工作波形分析方法。
解決方法：首先通過(guò)多媒體軟件動(dòng)態(tài)演示單相半波整流電路工作過(guò)程，強(qiáng)調(diào)不同性質(zhì)負(fù)載下電壓電流波形、各種電量基本關(guān)系，進(jìn)而幫助學(xué)生掌握各種電路特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，根據(jù)用電設(shè)備要求正確設(shè)計(jì)可控整流電路及元件的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)課堂互動(dòng)提問(wèn)強(qiáng)調(diào)可控整流電路的工作原理分析方法。
2.2 單相橋式整流電路
重點(diǎn)：?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐返姆治龇椒ǎüぷ髟?波形分析/量化分析）；電路按時(shí)域劃分的線性等效電路的分析；不同負(fù)載的電路分析特點(diǎn)；對(duì)反電勢(shì)負(fù)載的分析方法（工作原理/波形分析/量化分析）；半控電路的工作特點(diǎn)與工作狀態(tài)分析；半控電路的量化分析。
難點(diǎn)：電路波形分析與數(shù)量計(jì)算；半控電路的特點(diǎn)和分析。
解決方法：通過(guò)多媒體軟件動(dòng)態(tài)演示全波整流電路和半控電路工作過(guò)程，掌握橋式整流電路特點(diǎn)；利用FLASH動(dòng)畫分別針對(duì)阻性負(fù)載、感性負(fù)載和反電勢(shì)條件下，分析各電氣電壓電流波形、各種電量基本關(guān)系，利用互動(dòng)提問(wèn)強(qiáng)調(diào)負(fù)載不同對(duì)電路的工作原理的影響。在講解半控電路時(shí)與全控電路進(jìn)行對(duì)比分析，強(qiáng)調(diào)半控整流電路的拓?fù)涮攸c(diǎn)和失控產(chǎn)生原因。
2.3 三相半波整流電路
重點(diǎn)：三相半波整流電路的分析方法（工作原理/波形分析/量化分析）；電路按時(shí)域劃分的線性等效電路的分析；不同負(fù)載的電路分析特點(diǎn)。
難點(diǎn)：三相半波電路波形分析與數(shù)量計(jì)算。
解決方法：通過(guò)多媒體軟件動(dòng)態(tài)演示三相半波整流電路工作過(guò)程，分別針對(duì)阻性負(fù)載和感性負(fù)載條件下，分析各電氣電壓電流波形、各種電量基本關(guān)系。將三相整流電路與單相整流電路進(jìn)行類比，注意拓?fù)浜凸ぷ魈攸c(diǎn)的異同和電路輸出電壓的不同。
2.4 三相全橋整流電路
重點(diǎn)：三相全橋整流電路的分析方法（工作原理/波形分析/量化分析）；電路按時(shí)域劃分的線性等效電路的分析；三相全橋電路波形分析與數(shù)量計(jì)算；不同負(fù)載的電路分析特點(diǎn)。
難點(diǎn)：三相全橋整流電路波形分析與數(shù)量計(jì)算。
解決方法：通過(guò)多媒體軟件動(dòng)態(tài)演示三相全橋整流電路不同模態(tài)的工作過(guò)程，分別針對(duì)阻性負(fù)載和感性負(fù)載條件下，分析各電氣電壓電流波形、各種電量基本關(guān)系；利用矢量圖運(yùn)畫演示闡述三相全橋換流順序和雙觸發(fā)時(shí)序。將三相全橋整流電路與三相半波相整流電路進(jìn)行類比，注意拓?fù)浜凸ぷ魈攸c(diǎn)的異同，以及輸出電壓波形和輸出電壓平均值的不同。
2.5 雙反星整流電路
重點(diǎn)：對(duì)雙反星電路按時(shí)域劃分的線性等效電路的分析；電路波形分析與數(shù)量計(jì)算；掌握雙反星電路的工作特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
難點(diǎn)：雙反星電路的工作原理與數(shù)量計(jì)算。
解決方法：利用動(dòng)畫演示雙反星整流電路工作過(guò)程和特點(diǎn)，分析各電氣電壓電流波形、各種電量基本關(guān)系；強(qiáng)調(diào)雙反星整流電路的根本特點(diǎn)和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意事項(xiàng)。
2.6 變壓器漏抗對(duì)整流器的影響
重點(diǎn)：講解漏抗的影響原理和措施；分析逆變工作條件和原理。
難點(diǎn)：漏抗對(duì)整流器的影響與量化計(jì)算。
解決方法：采用提出問(wèn)題->解決問(wèn)題的講解方法，重點(diǎn)講解整流電路中漏抗對(duì)整流工作的影響和對(duì)應(yīng)措施。
3.1 三相有源逆變電路
重點(diǎn)：講解三相半波逆變電路的工作原理、電路波形分析與數(shù)量計(jì)算；講解三相橋式逆變電路的工作原理、電路波形分析與數(shù)量計(jì)算。
難點(diǎn)：三相全橋逆變電路工作過(guò)程分析。
解決方法：利用FLASH動(dòng)畫分析三相半波逆變電路的工作原理和電路分析（包括各電氣電壓電流波形、各種電量基本關(guān)系）；課堂互動(dòng)方式強(qiáng)調(diào)三相橋式逆變電路的工作原理和電路分析（包括各電氣電壓電流波形、各種電量基本關(guān)系）。
3.2 逆變顛復(fù)與最小逆變角限制
重點(diǎn)：分析逆變失敗的原因；講解逆變失敗的影響原理和措施。
難點(diǎn)：最小逆變角的限制條件。
解決方法：課堂互動(dòng)提問(wèn)強(qiáng)調(diào)逆變失敗對(duì)整流工作的影響和對(duì)應(yīng)措施；重點(diǎn)掌握逆變失敗導(dǎo)致的原因和最小逆變角定義。
4.1 晶體管的觸發(fā)電路
重點(diǎn)：觸發(fā)電路的定義和要求；觸發(fā)電路的電路工作原理分析；概念講授和電路工作的分析
難點(diǎn)：各子功能電路的詳細(xì)工作原理。
解決方法：利用多媒體軟件動(dòng)畫演示握觸發(fā)電路的各部分組成，方便學(xué)生掌握觸發(fā)電路的工作原理和功能模塊劃分，進(jìn)而了解觸發(fā)電路的各個(gè)組成部分的工作原理。
5.1高頻開關(guān)功率器件
重點(diǎn)：高頻功率二極管的分類、主要特性和參數(shù)；常用全控器件（GTR,MOSFET,IGBT）的特性和主要參數(shù)。極限參數(shù)和電氣參數(shù)。
難點(diǎn)：高頻功率二極管的分類反向恢復(fù)；MOSFET和IGBT器件的開通和關(guān)斷過(guò)程、米勒效應(yīng)。
解決辦法：（1) 從高頻器件的基礎(chǔ)--功率PN結(jié)的半導(dǎo)體物理特性說(shuō)起；(2) 結(jié)合三端器件的小信號(hào)等效電路講解米勒效應(yīng)；（3）以一兩個(gè)具體型號(hào)典型器件的參數(shù)表為例，說(shuō)明各種參數(shù)的體現(xiàn)及對(duì)電路性能的影響。
6.1 DC-DC變換電路
重點(diǎn)：BUCK、BOOST、反激和正激變換器幾種基本的變換器的拓?fù)潆娐沸问剑珺uck變換器的分析方法和外特性（包括電流連續(xù)和斷續(xù)模式）。
難點(diǎn)：反激變換器的分析方法，正激變換器的磁化及磁復(fù)位過(guò)程。
解決辦法：1）以Buck變換器為例，詳細(xì)說(shuō)明模態(tài)分析的原理和方法；并推論到其他拓?fù)洌?2）用伏秒平衡原理和電流增量原理兩種方法對(duì)照分析；3）首先復(fù)習(xí)和強(qiáng)調(diào)磁通連續(xù)性、能量守恒和伏秒平衡等，強(qiáng)調(diào)物理概念；4）強(qiáng)調(diào)幾種拓?fù)涞膶?duì)偶性，推論分析方法和結(jié)果。
7.1 DC-DC變換器的PWM控制
重點(diǎn)：PWM控制工作原理，開關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
難點(diǎn)：SG1525/SG1527系列集成PWM控制器輸出級(jí)的控制邏輯；動(dòng)態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)原理。
解決辦法：（1）結(jié)合BUCK變換器的脈寬調(diào)制仿真和實(shí)驗(yàn)查看SG1525控制器各管腳的工作波形，闡述PWM原理；（2）結(jié)合自動(dòng)控制原理，解釋誤差放大器、閉環(huán)調(diào)節(jié)原理。
8.1 DA-AC變換電路及輸出波形控制
重點(diǎn)：半橋、全橋和推挽逆變電路在阻性和感性負(fù)載下的工作原理，SPWM控制基本原理。
難點(diǎn)：推挽電路帶感性負(fù)載下T/4的調(diào)節(jié)范圍，逆變電路的改進(jìn)型SPWM控制方法。
解決辦法：（1）通過(guò)畫推挽電路帶感性負(fù)載時(shí)0～T/4和接近T/4時(shí)的電路波形來(lái)說(shuō)明；（2）通過(guò)對(duì)比SPWM和改進(jìn)型SPWM控制下的電路波形進(jìn)行闡述。
9 開關(guān)管的緩沖電路和軟開關(guān)技術(shù)
重點(diǎn)：緩沖的目的和意義，緩沖的原理，緩沖的方法；電應(yīng)力和熱應(yīng)力的概念；開通和關(guān)斷負(fù)載線的概念和意義；典型的RCD/RLD緩沖電路的構(gòu)成和原理，元件L、R、D在緩沖電路中的作用，參數(shù)的設(shè)計(jì)方法；無(wú)損緩沖的概念、原理和典型電路；零電流或零電壓開通關(guān)斷的目的和意義，零電流和零電壓諧振開關(guān)的電路構(gòu)成及原理。
難點(diǎn)：buck電路的緩沖電路的分析和參數(shù)設(shè)計(jì)。
解決辦法：采用由淺入深，由簡(jiǎn)到繁，由局部到整體的分析方法，強(qiáng)調(diào)元件L、R、D在緩沖電路中的作用。
10 開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路
重點(diǎn)：電氣隔離的作用、方法、典型隔離電路、各種隔離電路的特點(diǎn)及工作特性、雙極性管和場(chǎng)控器件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)及典型電路。
難點(diǎn)：結(jié)合電路系統(tǒng)判斷是否需要電氣隔離以及如何隔離、掌握抗飽和驅(qū)動(dòng)電路的原理、理解MOS管驅(qū)動(dòng)電路中各元件的作用。
解決辦法：(1)結(jié)合觸電問(wèn)題、全橋電路的各管驅(qū)動(dòng)要求來(lái)講解電氣隔離的作用；(2)以Buck、Boost為例，講解如何結(jié)合電路系統(tǒng)判斷是否需要隔離驅(qū)動(dòng)；(3)通過(guò)打比方和設(shè)問(wèn)的方式引導(dǎo)學(xué)生思考并理解不同隔離電路的特點(diǎn)和工作特性：以三極管的外特性為比方讓學(xué)生理解光耦的線性、開關(guān)工作模式以及CTR參數(shù)；通過(guò)設(shè)問(wèn)“正激式驅(qū)動(dòng)電路能否用于占空比為0.98的信號(hào)的隔離驅(qū)動(dòng)？”引導(dǎo)學(xué)生理解驅(qū)動(dòng)電路中的變壓器同樣要滿足磁復(fù)位的穩(wěn)態(tài)工作條件，進(jìn)而了解正激式驅(qū)動(dòng)電路同樣有占空比限制；通過(guò)問(wèn)題“如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率有的時(shí)候?yàn)榈皖l，有的時(shí)候?yàn)楦哳l，驅(qū)動(dòng)占空比變化范圍從0到1，可采用何種隔離驅(qū)動(dòng)電路？”引出高頻調(diào)制隔離驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)也讓學(xué)生理解了該驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)；(4)抓住驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大是引起三極管飽和的根本原因，從驅(qū)動(dòng)分流的角度讓學(xué)生定性理解抗飽和的基本原理，進(jìn)而掌握其定量關(guān)系；(5)通過(guò)畫出LC等效電路讓學(xué)生理解MOS 管驅(qū)動(dòng)容易出現(xiàn)的尖峰振蕩原因，進(jìn)一步引出可通過(guò)阻尼和電壓尖峰鉗位來(lái)解決此問(wèn)題，讓學(xué)生理解MOS管驅(qū)動(dòng)電路中各元件的作用；(6)布置開放式思考題：a. 反激變換器的驅(qū)動(dòng)電路可采用哪些方案，相應(yīng)的輸出電壓反饋是否需要隔離？b. MOS管驅(qū)動(dòng)波形上升沿和下降沿為何能看到有小平臺(tái)？
11功率變換器中的磁性元件設(shè)計(jì)
重點(diǎn)：鐵心BH曲線及其典型參數(shù)，鐵心損耗分類及各部分損耗與鐵心材料特性的關(guān)系，鐵心的幾種工作狀態(tài),常用鐵心材料的性能及選用,脈沖功率變壓器及電感的設(shè)計(jì)思路。
難點(diǎn)：能量在BH曲線上的反映，加入氣隙后磁心BH曲線如何變化，集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的理解，啟動(dòng)過(guò)程中變壓器的飽和現(xiàn)象。
解決辦法：(1)利用電磁感應(yīng)原理將磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電壓u關(guān)聯(lián)，根據(jù)安培環(huán)路定律建立磁場(chǎng)強(qiáng)度H和電流i的關(guān)系，再結(jié)合做功的公式，幫助學(xué)生理解BH曲線向B軸投影的面積表征磁元件的儲(chǔ)能；(2)結(jié)合BH曲線的能量關(guān)系講授磁滯損耗，并引出交變磁場(chǎng)下鐵氧體也會(huì)有渦流和損耗，使得學(xué)生可以自然而然理解鐵損的兩個(gè)主要部分和減小鐵損的方法；(3)結(jié)合磁路幫助學(xué)生理解氣隙增大，BH曲線向橫坐標(biāo)傾斜；結(jié)合BH曲線的能量關(guān)系，讓學(xué)生直觀地理解加入氣隙、儲(chǔ)能能力增大、不易飽和；(4)引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用右手法則畫出自身交變電流在導(dǎo)體中感應(yīng)的高頻電流、以及鄰近交變電流在導(dǎo)體中感應(yīng)的高頻電流，幫助學(xué)生理解集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，并應(yīng)用“同向相斥、異向相吸”來(lái)總結(jié)鄰近效應(yīng)的影響；(5)結(jié)合不同變換器中的磁性元件，讓學(xué)生理解磁性元件的不同工作狀態(tài)，掌握不同變換器中電感和變壓器對(duì)磁心材料和氣隙的要求；(6) 考慮到磁的抽象性，通過(guò)圖片與實(shí)物教具相結(jié)合的方式讓學(xué)生對(duì)不同磁性材料建立感性認(rèn)識(shí)，了解磁件的組成，理解磁件設(shè)計(jì)一方面要保證電氣參數(shù)，同時(shí)還要保證不飽和、適當(dāng)?shù)膿p耗和可以繞下等要求，進(jìn)而講解電感和變壓器的設(shè)計(jì)思路；(7)結(jié)合BH圖，講解啟動(dòng)過(guò)程中變壓器的飽和現(xiàn)象和相應(yīng)的抑制措施；(8)布置開放式思考題：變壓器的模型是什么，變壓器中的漏感、激磁電感、各繞組匝數(shù)、同名端如何測(cè)量？
