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1電力電子技術課堂教學難點舉例

西安交通大學王兆安和王進軍教授主編的，由機械工業出版社出版的電力電子技術（第5版）第八章8.3.4節中的零轉換PWM電路為軟開關技術中的教學難點[3]，教材中僅僅對其工作原理做了簡單闡述，但是相對于其復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生明白，而且學生幾乎沒有什么興趣去學習，更談不上很好地掌握并與實際相結合。筆者經過多年的課堂教學，以教材為主，結合參考書和相關的文獻資料，對教材上這部分知識進行了適當的改造，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在學生面前，讓學生理解其基本工作原理，然后將計算機仿真軟件引入到課堂教學中，通過課堂理論知識的具體應用，激發學生的學習興趣，從而突破教學難點。下面將完全的課堂教學演算呈現出來。

1.1升壓型零電壓轉換PWM電路的工作原理教材193頁8.3.4節中對零電壓轉換PWM電路常用的軟開關電路—升壓型零電壓轉換PWM電路的工作原理做了簡單的敘述，相對于其實際的電路的復雜性，簡單的幾句話不足以使學生理解并掌握其工作原理。現在筆者將升壓型零電壓轉換PWM電路分為兩個教學過程，第一個是工作原理的詳細介紹；第二個是課堂知識的具體應用。零電壓轉換PWM電路如圖1所示[3]，相對于傳統的升壓型變換電路—Boost變換電路[4]（在教材第五章直流-直流變流電路的第123頁有詳細介紹），升壓型零電壓轉換電路在Boost變換電路的基礎上增加了一個輔助網絡，該網絡由輔助開關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，輔助開關QZVT先于主開關QMAIN開通，使ZVT諧振網絡工作，電容Cr上電壓(即主開關QMAIN兩端電壓)下降到零，創造主開QMAIN零電壓開通條件。下面結合其工作波形圖詳細介紹其工作原理。

設輸入電感足夠大，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T<T0時，QMAIN和QZVT均關斷，D1導通，一個工作周期可分為七個工作模式[3]，其中每個工作模式可以等效一個電路。圖2為BoostZVT-PWM變換器工作波形圖。下面是一個周期內Boost型ZVT-PWM變換器各個階段的運行模式分析，一周期內7個運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Tr1開通，諧振電感電流iLr線形上升，t=T1時達Is，二極管D的電流ID則由Is線形下降，t=T1時降到零電流下關斷，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，Vds=0，Tr的反并聯二極管導通。等效電路如圖3（b）所示。

（3）T2～T3主開關Tr開通。由于Tr的體二極管已導通，創造了ZVS條件，因此應當利用這個機會，在t=T3時給Tr加驅動信號，使Tr在零電壓下導通，等效電路如圖3（c）所示。

（4）T3～T4iLr線形下降階段。t=T3，Tr1關斷，由于D1導通，Tr1的電壓被鉗在V0值，Lr的儲能釋放給負載，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關斷，這時Boost型ZVT-PWM變換器如同普通Boost型變換器的開關管導通的情況一樣，等效電路如圖3(e)所示。

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

型變換器開關管關斷的情況一樣，處于續流狀態，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所示的七個工作原理可以用七個運行從上面的分析可以看出，經過教師的巧妙處理，將教材193頁上復雜的升壓型零電壓轉換PWM電路的工作原理通過圖解結合文字解說的方式，進行詳細的闡述，經過這樣的處理，學生都能掌握和理解。接下來筆者將所學課堂理論知識與實際應用相結合，達到加深學生印象和突破難點的效果。

1.2課堂理論知識的具體應用上面對升壓型零電壓轉換PWM電路的工作原理進行了闡述，學生對其工作原理有了一定的理解，但是他們可能疑惑，學了這個知識難點，到底它具體應用在哪些地方呢？逆變電路在教材第五章123頁對升壓變換電路的作用一個是電壓抬升，另外一個是是功率因數校正，這兩個知識點我們已經掌握，那針對這次學的升壓型零電壓轉換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用于功率因數校正電路中，一個是驗證軟開關理論，另一個就是驗證其功率因數校正功能。圖4所示為升壓型零電壓轉換PWM電路在功率因數校正電路中的具體應用，其整個系統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，因此系統功率因數比較低，而且含有大量的高次諧波。關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節中有詳細的闡述[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換PWM電路的主要目的就是提高系統的功率因數，另外一方面，由于引入了新的電路，因此系統的效率會降低，由此需要采用軟開關技術來提升系統效率，這也是本節的軟開關技術應用的一個具體體現。根據電路理論和模擬電子技術的知識可以算出系統的元器件參數：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，開關頻率f為100kHz。然后在仿真軟件Pspice中搭建仿真模型并進行仿真。圖中顯示了主開關管Tr是在輔助開關管Tr1關斷后才開通的，而且輔助開關管導通時間很短，顯著地減少了開關管Tr的損耗。圖7為主開關管Tr驅動波形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管在開通前先有電流反向流過其體內二極管，使漏極電壓箝位到零，再加驅動脈沖從而實現零電壓開通。當驅動脈沖變為零時，由于主開關管Tr漏源極兩端并聯著諧振電容，使得主開關管Tr漏源兩端的電壓緩慢上升，從而實現零電壓關斷，在這里筆者要特別強調這就是這節課學習難點的軟開關的工作原理。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，實現了功率因數校正的目的。因此通過零轉換PWM電路的課堂教學示范，可以得出以下結論：

1）學生可掌握升壓型零電壓轉換PWM電路的基本工作原理；

2）學生復習了功率因數校正的概念；

3）學生通過課堂所學理論知識的應用將前面所學章節和本節課知識聯系起來，達到了融會貫通的效果。

4）最重要的是激發了學生的學習興趣，幫助他們更加容易地掌握課堂教學難點。

2結論

綜上所述,在電力電子技術課堂教學中，在針對教學難點的授課過程中，將文字敘述通過圖形和圖表的方式表示出來，然后把計算機仿真軟件Pspice引入到課堂教學中，相對于傳統的電力電子技術課堂教學，教學效果明顯，值得廣大高校電力電子技術專業課教師借鑒。

作者：萬力榮軍單位：湖南理工學院信息與通信工程學院