仿真电子技术教学难点运用

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本文作者：荣军 万军华 陈曦 万力 单位：湖南理工学院 信息与通信工程学院

电力电子技术是自动化专业和机电专业最重要的一门专业课程，也是一门非常难学的专业课程，原因在于它集控制理论、电力学和电子学于一体的课程理论，涉及的知识多，范围广［1－2］。特别是课堂教学过程中的教学难点，教师在课堂讲解过程中非常困难，而学生学习起来也非常吃力。因此针对这个问题，笔者在多年的电力电子技术课堂教学中，将计算机仿真软件引入课堂教学，解决了教师讲解困难和学生学习吃力的老问题，达到了事半功倍的效果，而且在针对电力电子技术后续的课程设计以及跟电力电子技术相关的毕业设计中，学生能够利用计算机仿真软件解决实际应用中问题。因此通过课堂教学的一些教学设计，能够让学生将理论知识应用于实际生活中，达到培养工程应用型人才的要求［3－6］。

1电力电子技术课堂教学难点举例

在《电力电子技术》第五版第八章8．3节中典型的软开关电路中的零电压转换PWM电路［7］是本节的难点，按照常规教学法教师会进行以下课堂教学设计。首先列出零电压转换PWM电路的工作原理图，然后根据其工作波形分析其工作过程。零电压转换PWM电路的原理图如图1所示，图2为零电压转换PWM电路的工作波形。从图2中很容易看出辅助开关管Tr1先于主开关管Tr开通，而主开关管Tr开通后辅助开关管Tr1就关断了。主要的谐振过程都集中在开通前后，下面分阶段介绍电路的工作过程。

1．1T0－T1Lr电流线性上升阶段t＝T0时，辅助开关Tr1开通，谐振电感电流iLr线性上升，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，若采用快速恢复二极管，可忽略D的反向恢复电流。这一阶段Vds不变。

1．2T1－T2谐振阶段Lr和Cr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。

1．3T2－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。

1．4T3－T4iLr线形下降阶段t＝T3时，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；t＝T4时，iLr＝0。

1．5T4－T5ids恒流阶段t＝T4时，D1关断，这时零电压转化PWM电路如同普通Boost型变换器的开关管导通的情况一样，ids＝Is。1．6T5－T6Cr线形充电阶段t＝T5时，Tr关断，恒流源Is对Cr线形充电，直至t＝T6时，VCr＝V0。1．7TT－T7续流阶段这个阶段如同普通Boost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。如果教师按照此教学课程教授，学生对图2所示的工作波形图就感到吃力了，因此学生很难有兴趣和精力认真听完这繁琐冗长的讲解过程，课堂教学和听课效果较差。针对这种现象，笔者将Pspice仿真软件引入课堂教学过程中，能够将学生从听课转变为参与到课堂教学过程中，教学效果明显。下面将来详细分析教学设计。

2教学过程和教学设计

首先在学习零电压转换PWM电路之前，笔者会告诉学生这个电路主要的作用是用于功率因数校正电路中，其中功率因数校正在本书的第三章3．5节中已经学习过，稍微提及一下，对以前所学知识点简单回顾一下。然而在功率因数校正电路中采用的是Boost升压变换电路，在这里换用升压零电压转换PWM电路的作用就是减少变换电路的功耗，原因是前者是硬开关电路，后者为软开关电路。关于硬开关和软开关的概念就是本节课的教学重点，笔者在讲解教学难点之前已经重点讲解了。通过层层递进的教学安排让学生能够容易地接受新的知识点，也为讲解教学难点做好的足够多的铺垫。接下来将计算机仿真软件Pspice引入到课堂教学过程中。为了设计教学过程，笔者首先给定一些技术参数，技术指标如下：输入电压为单相交流220±10％V；输入频率为50Hz；输出电压为直流400V；最大输出功率为3kW；功率因数为99％；开关频率为f＝100kHz。接下来笔者安排学生计算出零电压转换PWM电路的升压电感、谐振电感、谐振电容和输出滤波电容的取值。这个主要是学生利用所学的模拟电子知识能够计算出来［8］，笔者让学生在课间休息时计算，课堂不需要花费大量的时间。计算结果如下：谐振电感为Lr＝30．5μH；谐振电容为Cr＝130pF；升压电感为L＝0．196mH；输出滤波电容为CO＝3429μF。然后在计算机仿真软件上按照图1的电路设计仿真模型，并把相应的电路参数填写上去，其仿真电路如图3所示。零电压转换PWM电路在Pspice中的仿真模型搭建完毕后，对其进行仿真，可以得出零电压转换PWM电路的仿真波形（如图4、图5和图6所示）［9－11］。教学结果分析如下：通过图4可以看出输入电流跟踪输入电压，达到了功率因数校正的目的，这对教科书的第三章3．5节的知识点进行了复习和巩固；图5为零电压转换PWM电路的主开关管和辅助开关管的驱动波形，从图5的仿真波形很容易让学生明白，辅助开关管Tr1先于主开关管Tr开通，在主开关管开通Tr后，辅助开关管Tr1立即关断，减小了开关损耗；图6的仿真波形为主开关管的谐振过程，很容易看出主开关管Tr的软开通过程，相对于纯理论分析图1的电路工作过程，教师和学生要轻松许多，而且达到了实验教学的效果，并且在课后，学生可以依据此教学方法学习其他的变换器，拓展了学生的学习思维。

3结论综上所述，在电力电子技术课堂教学过程，针对教学难点，把计算机仿真软件引入其教学过程，既减轻了教师的教学工作量，又提高了学生的听课效率，达到了事半功倍的效果。