关键词：电力电子技术；对比分析；设计与应用

Abstract: Contrastive analysis is an important teaching practice method, and well-designed contrastive analysis teaching method can push forward the teaching effect to a higher level. The key is how to find a group of teaching materials applicable to contrastive analysis. In the paper, as for power electronic technology course, taking the output electrolytic capacitor parameter selections for instance for Buck and boost DC-DC converters, single-phase and three-phase diode rectifiers and single-phase power factor corrector, a comparative analysis teaching practice is provided. The results show that reasonably-designed and strongly comparative analysis teaching can help students acquire a better understanding of much specious knowledge, accumulate more intuitive experience and pursue deeper learning consciously.

Key words: Power electronic technology; Comparative analysis teaching; Design and application

1  引言

    电力电子技术是一门采用功率器件构成电力电子变换电路对电气参数进行变换和控制的技术，电气参数包括电压、电流、功率、阻抗、相数、相序、频率和波形。电力电子技术融合了电力学、电子学和控制理论，是一门交叉学科，广泛应用于发电、输电、变电、配电、用电和储电以及特种电源等应用场合，功率等级大到数百MW甚至GW，小到数W甚至1W以下。电力电子技术课程内容主要涉及功率开关、变换电路、滤波电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路，还涉及调制算法、调速策略、调功策略、控制策略和工艺流程。现有的许多教学方法，如成果导向法、任务驱动法、问题驱动法等^[1-5]，都非常适合该课程教学。此外，对比分析也是一种重要的课程设计手段。一种事物的特点需要与其它事物相比较才能显现出来，通过对比分析才能更好地发现事物之间的联系和差别，认清事物本质和事物精髓，有助于指导创新实践。电力电子技术课既是一门理论课，又是一门实践课。课程中所有的结论和观点，既要符合基本原理，又要具有物理意义。不同变换电路中作用相同的元件，其参数选择的依据也不尽相同。如果教师不进行提示和细讲，学生很难自己注意和领悟到这些内容。电力电子技术课程具有非常多的位置对等、功能相同的元件，非常适合采用对比分析教学方法。本文针对几种常用整流器输出电容参数选择问题设计了一种对比分析教学案例，并给出教学效果分析。

2  对比分析教学设计

电力电子技术课程对比分析教学设计的核心任务就是寻找、整理和优化可以对比分析的教学内容，从普遍性与特殊性的角度进行对比分析，从中找出主要联系与差别，并给出物理解释。在进行对比分析过程中，按照行课时间顺序，精讲每一种变换电路的工作原理，逐渐地提出和讲解对比分析素材，便于学生掌握和自然地接受。

AC-DC变换器即整流器是一类非常经典的电力电子变换器^[6-9]，包含电流输出型和电压输出型两类。单相、三相晶闸管整流器后接平波电感滤波，在负载工作时形成电流输出，负载可以为直流电动机、电流源型逆变器（CSI）或高压直流输电系统（HVDC）。以下从电压输出型BUCK与BOOST DC-DC变换器、单相与三相二极管整流器、单相功率因数校正器、单相与三相PWM整流器输出侧滤波电解电容参数选择依据出发，给出对比分析教学设计。为便于分析，首先假定前两种变换电路稳态下电感电流工作在连续导电模式（CCM），并假定全部变换电路的负载均为纯阻负载。

2.1  BUCK与BOOST DC-DC变换器

BUCK DC-DC变换器的功率电路如图1所示。

图1中，在功率开关S₁的斩波作用和电感L₁的续流作用下，L₁C₁滤波器的输入为占比d的方波电压，转换成电流之后，注入电容C₁，形成输出直流电压源。根据一个开关周期内电容C₁安秒平衡原理，可得电解电容C₁取值公式为

            （1）

2.4 对比分析

对于二极管整流器，输入为工频50Hz正弦交流电压。如果桥后采用LC滤波器，则电感作用是将电压源转为电流源，电解电容的作用是将电流源转成电压源。感值大时输出电压纹波峰峰值与平均值均下降。容值大时输出电压纹波峰峰值下降，且平均值上升。需要注意的是，电感位于桥前与桥后的作用不一样。对于图3与图4所示的单相与三相二极管整流器，桥后采用了电容滤波器，由于不存在桥后电感平波作用，同样负载下电解电容电压纹波较大。

电容储能公式为，式中为电压瞬时值，在同样负载功率的情况下，对于输出电压高的整流器输出电容取值可以减小，但是并不是简单按照平方倍数下降，原因如下：（1）电解电容另一作用是需要吸收负载回馈的电能，因此其取值应该留出裕量；（2）电解电容内部寄生的等效串联电阻（ESR）损耗与纹波电压平方成正比，损耗大时温升高。温升每高10ºC，电解电容使用寿命减小一倍，反之增加一倍。为了限制温升，就需要抑制电压纹波幅值，为此需要增大电容取值。相比单相二极管整流器，三相二极管整流器的输出电解电容取值可以大为减少，这一点可以从式（3）与（4）看出。单相二极管整流器中电解电容C₁取值与2倍电源频率成反比，意味着一个电源周期中发生2次充电即整流过程。三相二极管整流器中电容C₁取值与6倍电源频率成反比，意味着一个电源周期中发生6次充电即整流过程。另外，三相二极管整流器网压峰值为单相二极管整流器网压峰值的哏倍，因此在同样负载情况下，所需容值更小。

纯直流电压的频率为零，直流电压源为直流负载供电时，无需使用电解电容。方波交流电压供电的二极管整流器，所需电解取值可以为零。例如，车载逆变器一般输出单相方波交流电压或准正弦交流电压，单相二极管整流器的电解电容取值可以大为减少。BUCK与BOOST DC-DC变换器的输入为直流电压，但是经过功率变换后，转换为高频电流为电解电容充电，因此电容取值与开关频率有关。

对于BUCK DC-DC变换器，由于开关通断期间，电解电容都得到充电，因此电解电容取值与开关频率平方成反比，且与电感L₁成反比。如果功率开关占比d=1，输出电压等于输入电压，则电解电容取值可以为零。另一方面，电解电容取值与负载功率无关。

对于BOOST DC-DC变换器，由于只有功率开关S₁关断期间，电解电容得到充电，因此电解电容取值与开关频率成反比，而且与电感L₁无关。电解电容取值与负载功率、占比d成正比。

对于单相功率因数校正器，由于它是单相二极管整流器与BOOST DC-DC变换器的前后级联，总体上服从二极管整流器电解电容的取值原理。

针对以上对比教学设计，除了课上对比讲解外，课后也安排了相应的综合练习题，做到讲练结合，使得学生真正地理解了整流电路中每个元器件的作用和选型依据，为后续课程优化设计打下基础。

3  结论

以BUCK与BOOST DC-DC变换器、单相与三相二极管整流器、单相功率因数校正器、单相与三相PWM整流器为例，给出了输出电解电容参数选择的对比分析教学设计。该教学设计内容较为合理，对比性较强，在这个知识点上，促进了学生的全方位学习。从课堂问答和平时作业效果以及科创和竞赛过程来看，学生能够更加重视对细节和物理意义的理解，能够快速把握事物的本质，对相似问题不再一知半解和模棱两可。作为教师，需要细心挖掘、整理和优化对比分析教学素材，促进培养学生的分析和理解能力。

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