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摘要：“电力电子技术”是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课，其理论性、实践性、综合性、应用性较强。针对不同的难点问题采用不同的教学方法，不仅较好地解决了难题，而且可为其他类似课程提供教学思路。
关键词：电力电子技术；电路仿真；波形分析法
“电力电子技术”是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课，是连接弱电和强电的纽带，且电力电子技术深入应用到国防军事、农业、商业、工业及交通各个领域。这门课程的特点是理论性、实践性、综合性、应用性较强。电力电子技术的研究对象就是各种电源，主要介绍典型电力电子器件的基本结构，工作原理，主要参数以及应用特性，重点研究各种电力电子电路，包括四种基本电力电子电路和组合电力电子电路的原理、特性、分析计算以及其应用，使学生掌握典型电力电子器件和典型电力电子电路的基本理论、基本计算方法，具有分析一般运行问题的能力，为学习后续课程奠定必要的理论基础。学生除了要具备扎实的高等数学、电路和模拟、数字电子技术知识，在学习的过程中，还要面对以下两个难点：复杂电力电子电路的波形分析（尤其是工程实际中应用较为广泛的阻感负载，如直流电机、交流电机等）；电力电子电路功能的具体实现（工程实际中如何实现）。
PWM逆变电路是学生公认的“较难学”的内容之一。逆变电路是将直流电能转化为交流电能的电力电子电路，将PWM控制技术应用于逆变电路中可以有效地减小输出电能（电压或电流）的谐波，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM控制技术。分析电路时，学生不仅要掌握逆变电路的工作过程，还要了解PWM控制技术的工作原理；而电力电子电路可以带不同负载（如电阻性，电感性和电容性或者混合负载），分析的思路和方法也有所区别。如阻感性负载（典型的如直流电机，交流电机等），其特点就是流过负载的电流滞后于负载两端的电压某一个角度（负载阻抗角），另外，一般在讲解电路时，只注重工作原理的分析，忽略了电路功能的实现。通过采用不同的教学方法如波形分析法、仿真分析法和试讲法等，解决上述难点，希抛砖引玉，达到解决本门课程或者类似课程中其他难点问题的目的。
一、波形分析法
单相电压型桥式PWM逆变电路如图1所示，信号波和载波经调制电路，采用双极性SPWM控制方式，输出4个触发脉冲信号。由4个IGBT管V1～V4构成H桥，反并联电力二极管VD1～VD4，负载为阻感性负载。
针对上述两个难点，首先采用波形分析法。波形分析法就是对照电路原理图，根据电路给定条件，绘制出电路中的参考点，特别是流过负载的电流和负载两端电压随时间变化的波形和规律的一种方法，波形分析法不仅可以分析电路的工作原理，还可进行定量计算。图2是双极性SPWM控制方式驱动信号生成电路，可让学生自己分析驱动信号的工作过程。通过这个电路，学生就可以了解双极性SPWM控制方式下，开关器件的脉冲信号是如何产生的。虽然这个电路比较简单，但实际触发电路就是按照这种思路设计的。
图3是在给出正弦波（调制波）和三角波（载波）后，通过SPWM控制负载侧的电压波形。讲解时，对照电路原理图、驱动信号生成电路，给定正弦波和三角波，按照时间节点，分析出输出电压波形。特别注意分析回路中电流的流通路径（由阻感负载的性质决定），比如说，给V1和V4施加触发信号，究竟是V1和V4导通，还是VD1和VD4导通？这两对开关器件能不能同时导通？导通后，加在负载上的电压是否有所不同？先让学生有感性认识。
可见，双极性SPWM控制方式时，三角波载波有正极性，有负极性，所得到的电压PWM波也是有正有负。
二、仿真分析法
图2毕竟只是一种简单的信号生成电路，工程实际中又是如何按照此种思路实现功能的呢？用波形分析法分析电路的工作原理后，可采用仿真分析法继续深入研究电路的工作过程。另外，电气工程专业的学生日后不管是走向相应的工作岗位，还是继续深造，都必须掌握一些应用软件。因此，在授课过程中，引入仿真分析法，从实用的角度考虑，用仿真软件将理论分析直观化，还可为学生日后逐步走向研究领域奠定扎实的基础，实现从理想电路到真实电路的顺利过渡，学生的学习能力从理论学习到仿真实践的顺利提升。
Simulink是美国MathWorks公司推出的Matlab软件包中最重要的功能模块之一，是交互式、模块化的建模和仿真的动态分析系统。在电力电子领域，通常利用专用模块集SimPowerSystems，该模块集包含电气网络中常见的元器件和设备，直观易用的图形方式对电气系统进行模型描述。模型可与其他Simulink模块相连接，包含电源、电流回路元器件、电力机械、电子元器件、控制和测量模块和三相网络元器件等6个子模块库，同标准的Simulink模块一起使用建立包含电气系统和控制回路的模型。用户可以修改系统的初始状态以便从任意的初始条件进行仿真，图形用户界面能够显示测量的电流值和电压值以及所有的状态变量（电感电流和电容电压）。
为此，建立单相电压型桥式PWM逆变电路的仿真模型，带阻感负载，如图4所示。仿真模型由直流电源，通用桥模块（选择桥臂数为2），双极性SPWM封装模块，负载，电压、电流测量模块和示波器6个部分组成。图5是双极性SPWM信号生成电路封装模块，模块由正弦函数、三角波函数、增益模块、常数模块、乘法模块和逻辑模块等6个部分组成，输出信号是给逆变电路中的4个开关管V1～V4所施加得触发脉冲。
电路参数如下：直流电压300V；负载电阻r=1Ω，负载电感L=2mH；m为调制深度，正弦波频率为50Hz，fc为载波频率。设置好各个模块的参数后，仿真结果分别如图6所示。
从图中可见，负载电流连续，输出电压是SPWM电压波，脉冲宽度符合正弦变化规律。m=0.5，fc=750Hz与m=1，fc=1500Hz相比，m=1时输出电压的中心部分明显变宽，而fc=1500Hz时输出交流电流的正弦度更好。若进一步提高载波频率，则输出电流会更加接近正弦波（讲到此处，可以让学生分析原因）。讲解时，不仅注重电路功能的实现，还要强调负载电流的变化规律和流通路径，深化在波形分析法中已有的感性认识。学生还可自己建模（如单极性SPWM控制）、仿真，观察电路更为详细的工作过程，进而对比两种控制方式的优劣，从而更加牢固掌握电路工作原理。通过波形分析法和仿真分析法，学生不仅可以了解电路的工作过程，而且可以更深刻的掌握电路的具体工程实现过程，可为以后从事类似设计和工作奠定扎实的理论基础。
三、试讲法
为了检验学生是否已经掌握了电路的工作过程，讲解完后，将学生分组，每组派出一个代表。试讲内容是双极性和单极性SPWM逆变电路工作过程，不仅将双极性SPWM逆变电路的工作过程进行分析，而且将自学的单极性SPWM逆变电路进行讲解。最后，通过学生自己组织的评审团打分，分出名次。试讲法不仅可以促使学生深入领会教学内容，考查学生对于知识的掌握程度，还可以培养其自学能力、口头表达能力和应变能力，促进学生综合素质的提高。
四、总结
综上所述，“电力电子技术”这门课有很多的难点，学生掌握起来比较困难，只要把握好课程的难点和教学关键，在课堂教学中采用适当的教学方法，如波形分析法、仿真分析法和试讲法等，并及时发现学生在学习中的问题，设法加以解决，实践证明会使广大学生取得较好的学习效果。
参考文献：
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2]刘桂英，粟时平.“电力电子技术”的Matlab/Simulink教学仿真实践[J].电气电子教学学报，2011，2（1）：87-88.
[3]孙冠群，孙崎岖.电气专业“电力电子技术”教学改革探讨[J].中国电力教育，2010，（7）：98-99.
[4]王武.基于Matlab和PLECS的电力电子仿真实验教学[J].实验技术与管理，2011，（6）：110-112.
（责任编辑：宋秀丽）
关键词：电力电子技术；电路仿真；波形分析法
“电力电子技术”是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课，是连接弱电和强电的纽带，且电力电子技术深入应用到国防军事、农业、商业、工业及交通各个领域。这门课程的特点是理论性、实践性、综合性、应用性较强。电力电子技术的研究对象就是各种电源，主要介绍典型电力电子器件的基本结构，工作原理，主要参数以及应用特性，重点研究各种电力电子电路，包括四种基本电力电子电路和组合电力电子电路的原理、特性、分析计算以及其应用，使学生掌握典型电力电子器件和典型电力电子电路的基本理论、基本计算方法，具有分析一般运行问题的能力，为学习后续课程奠定必要的理论基础。学生除了要具备扎实的高等数学、电路和模拟、数字电子技术知识，在学习的过程中，还要面对以下两个难点：复杂电力电子电路的波形分析（尤其是工程实际中应用较为广泛的阻感负载，如直流电机、交流电机等）；电力电子电路功能的具体实现（工程实际中如何实现）。
PWM逆变电路是学生公认的“较难学”的内容之一。逆变电路是将直流电能转化为交流电能的电力电子电路，将PWM控制技术应用于逆变电路中可以有效地减小输出电能（电压或电流）的谐波，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM控制技术。分析电路时，学生不仅要掌握逆变电路的工作过程，还要了解PWM控制技术的工作原理；而电力电子电路可以带不同负载（如电阻性，电感性和电容性或者混合负载），分析的思路和方法也有所区别。如阻感性负载（典型的如直流电机，交流电机等），其特点就是流过负载的电流滞后于负载两端的电压某一个角度（负载阻抗角），另外，一般在讲解电路时，只注重工作原理的分析，忽略了电路功能的实现。通过采用不同的教学方法如波形分析法、仿真分析法和试讲法等，解决上述难点，希抛砖引玉，达到解决本门课程或者类似课程中其他难点问题的目的。
一、波形分析法
单相电压型桥式PWM逆变电路如图1所示，信号波和载波经调制电路，采用双极性SPWM控制方式，输出4个触发脉冲信号。由4个IGBT管V1～V4构成H桥，反并联电力二极管VD1～VD4，负载为阻感性负载。
针对上述两个难点，首先采用波形分析法。波形分析法就是对照电路原理图，根据电路给定条件，绘制出电路中的参考点，特别是流过负载的电流和负载两端电压随时间变化的波形和规律的一种方法，波形分析法不仅可以分析电路的工作原理，还可进行定量计算。图2是双极性SPWM控制方式驱动信号生成电路，可让学生自己分析驱动信号的工作过程。通过这个电路，学生就可以了解双极性SPWM控制方式下，开关器件的脉冲信号是如何产生的。虽然这个电路比较简单，但实际触发电路就是按照这种思路设计的。
图3是在给出正弦波（调制波）和三角波（载波）后，通过SPWM控制负载侧的电压波形。讲解时，对照电路原理图、驱动信号生成电路，给定正弦波和三角波，按照时间节点，分析出输出电压波形。特别注意分析回路中电流的流通路径（由阻感负载的性质决定），比如说，给V1和V4施加触发信号，究竟是V1和V4导通，还是VD1和VD4导通？这两对开关器件能不能同时导通？导通后，加在负载上的电压是否有所不同？先让学生有感性认识。
可见，双极性SPWM控制方式时，三角波载波有正极性，有负极性，所得到的电压PWM波也是有正有负。
二、仿真分析法
图2毕竟只是一种简单的信号生成电路，工程实际中又是如何按照此种思路实现功能的呢？用波形分析法分析电路的工作原理后，可采用仿真分析法继续深入研究电路的工作过程。另外，电气工程专业的学生日后不管是走向相应的工作岗位，还是继续深造，都必须掌握一些应用软件。因此，在授课过程中，引入仿真分析法，从实用的角度考虑，用仿真软件将理论分析直观化，还可为学生日后逐步走向研究领域奠定扎实的基础，实现从理想电路到真实电路的顺利过渡，学生的学习能力从理论学习到仿真实践的顺利提升。
Simulink是美国MathWorks公司推出的Matlab软件包中最重要的功能模块之一，是交互式、模块化的建模和仿真的动态分析系统。在电力电子领域，通常利用专用模块集SimPowerSystems，该模块集包含电气网络中常见的元器件和设备，直观易用的图形方式对电气系统进行模型描述。模型可与其他Simulink模块相连接，包含电源、电流回路元器件、电力机械、电子元器件、控制和测量模块和三相网络元器件等6个子模块库，同标准的Simulink模块一起使用建立包含电气系统和控制回路的模型。用户可以修改系统的初始状态以便从任意的初始条件进行仿真，图形用户界面能够显示测量的电流值和电压值以及所有的状态变量（电感电流和电容电压）。
为此，建立单相电压型桥式PWM逆变电路的仿真模型，带阻感负载，如图4所示。仿真模型由直流电源，通用桥模块（选择桥臂数为2），双极性SPWM封装模块，负载，电压、电流测量模块和示波器6个部分组成。图5是双极性SPWM信号生成电路封装模块，模块由正弦函数、三角波函数、增益模块、常数模块、乘法模块和逻辑模块等6个部分组成，输出信号是给逆变电路中的4个开关管V1～V4所施加得触发脉冲。
电路参数如下：直流电压300V；负载电阻r=1Ω，负载电感L=2mH；m为调制深度，正弦波频率为50Hz，fc为载波频率。设置好各个模块的参数后，仿真结果分别如图6所示。
从图中可见，负载电流连续，输出电压是SPWM电压波，脉冲宽度符合正弦变化规律。m=0.5，fc=750Hz与m=1，fc=1500Hz相比，m=1时输出电压的中心部分明显变宽，而fc=1500Hz时输出交流电流的正弦度更好。若进一步提高载波频率，则输出电流会更加接近正弦波（讲到此处，可以让学生分析原因）。讲解时，不仅注重电路功能的实现，还要强调负载电流的变化规律和流通路径，深化在波形分析法中已有的感性认识。学生还可自己建模（如单极性SPWM控制）、仿真，观察电路更为详细的工作过程，进而对比两种控制方式的优劣，从而更加牢固掌握电路工作原理。通过波形分析法和仿真分析法，学生不仅可以了解电路的工作过程，而且可以更深刻的掌握电路的具体工程实现过程，可为以后从事类似设计和工作奠定扎实的理论基础。
三、试讲法
为了检验学生是否已经掌握了电路的工作过程，讲解完后，将学生分组，每组派出一个代表。试讲内容是双极性和单极性SPWM逆变电路工作过程，不仅将双极性SPWM逆变电路的工作过程进行分析，而且将自学的单极性SPWM逆变电路进行讲解。最后，通过学生自己组织的评审团打分，分出名次。试讲法不仅可以促使学生深入领会教学内容，考查学生对于知识的掌握程度，还可以培养其自学能力、口头表达能力和应变能力，促进学生综合素质的提高。
四、总结
综上所述，“电力电子技术”这门课有很多的难点，学生掌握起来比较困难，只要把握好课程的难点和教学关键，在课堂教学中采用适当的教学方法，如波形分析法、仿真分析法和试讲法等，并及时发现学生在学习中的问题，设法加以解决，实践证明会使广大学生取得较好的学习效果。
参考文献：
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2]刘桂英，粟时平.“电力电子技术”的Matlab/Simulink教学仿真实践[J].电气电子教学学报，2011，2（1）：87-88.
[3]孙冠群，孙崎岖.电气专业“电力电子技术”教学改革探讨[J].中国电力教育，2010，（7）：98-99.
[4]王武.基于Matlab和PLECS的电力电子仿真实验教学[J].实验技术与管理，2011，（6）：110-112.
（责任编辑：宋秀丽）