电力电子教学中非隔离直流变换器教学探讨

龙源期刊网电力电子教学中非隔离直流变换器教学探讨作者：张先进来源：《科技创新导报》2011年第27期摘要:电感在电力电子电路中有着重要的作用。在非隔离直流变换器中,电感电压、电流、磁通等在计算和分析非隔离直流变换器中电压、电流等关系等中起着重要的作用。在实践教学过程,发现许多学生对它们之间的关系计算和分析难于理解和掌握。本文探讨将电磁感应定律的不同形式的表达式应用在非隔离直流变换器教学之中。教学实践表明它不但拓宽了学生知识面、加深学生理解,而且取得了较好的教学效果。关键词:电磁感应定律电感电力电子变换器中图分类号:TM464文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)09(C)-0154-02引言电力电子技术是一门新兴的交叉学科,它是一种电力变换技术,应用功率半导体器件对电能进行变换。电力电子技术已经是高等学校工科电气信息类电气工程及其自动化专业、自动化专业等专业的学生必修的一门专业基础课[1～3]。而非隔离直流变换器在电力电子教学中占有着重要的地位,掌握非隔离直流变换器拓扑结构和分析方法是进一步学习各种功率变换器重要基础。1电磁感应定律加在电感L上电压uL如图1所示,根据电磁感应定律,我们可以得出电压uL、电感L、磁通Φ、匝数N的关系[4]:（如图1）(1)在实际应用中,采用电磁感应定律不同形式的表达式将会给分析和解决问题带来不同的难易程度。因此,在实际应用中要做到针对不同的问题采用不同形式的表达式。而在一些电力电子教材中通常采用其中一种表达式来分析非隔离直流变换器,例如采用在开关周期内电感电流增加量等其减少量或者电感电压伏-秒积等于零。虽然学生在中学和大学前期学习中学过电磁感应定律,但是电力电子教学中仅通过一种方法来分析非隔离直流变换器,对大多数学生来说还是难以理解。这无疑增加了学生学习难度,不利于拓宽学生知识面和提高学生分析、解决问题的能力,不利于学生灵活应用所学知识。为了使学生容易掌握非隔离直流变换器,本文从电磁感应定律不同形式的表达式如手,探讨非隔离直流变换器计算过程。下面以Buck变换器工作在电感电流连续模式为例,进行探讨。龙源期刊网直流变换器电路拓扑结构和主要工作电压、电流波形如图2和图3所示。其中滤波电感L的匝数为N。（如图2）2.1工作原理分析为了简化分析,假设Buck电路中所有器件均是理想器件,并且输出电容C很大,输出电压Uo在开关过程中不变,开关周期T=ton+toff,占空比D=ton/T。其主要波形图和等效电路图如下所示。（如图3图4）模态1:开关管VT导通(在ton时间内,等效电路如图4(a))开关管VT导通加在电感L上电压uL等于输入电压减去输出电压,即(2)电感电流iL在该电压作用下从最小值ILmin线性增加,直到开关管VT关断达到最大值ILmax。在该时间内,电感电流增加量为:(3)磁通增量为:(4)电感电压伏-秒积为:(5)模态2:开关管VT关断(在toff时间内,等效电路如图4(b))开关管VT导关断,电感电流iL通过续流二极管VD。所以加电感L上电压uL等于负的输出电压,即(6)电感电流在该电压作用下从最大值ILmax线性下降,直到开关管VT开通达到最小值ILmin。在该时间内,电感电流减小量为:(7)磁通减小为:龙源期刊网(8)电感电压伏-秒积为:(9)(1)根据在一个开关周期内电感电流增加量等于减少量[1～2],由式(3)和式(7)可得:(10)输入输出电压关系为:(2)根据一个开关周期内磁通平衡原理[4],由式(6)和式(8)可得:(11)输入输出电压关系为:(3)根据伏-秒积平衡原理[3],由式(5)和式(7)可得:(12)输入输出电压关系为:可见,根据电磁感应定律的基本内容,可以通过三种不同的计算方法都可以得到相同的输入输出电压关系。这不但加深了学生对电磁感应定律的理解,提高了学生解决问题的灵活性。在实际教学中将上述三种方法分别应用在其他类型非隔离直流变换器中,取得了很好的教学效果。3结语非隔离直流变换器在电力电子教学中占有着重要的地位,掌握和理解非隔离直流变换器的分析方法在学习电力电子技术中有非常重要的作用。不同表达式计算非隔离直流变换器输入输出关系。在实际教学中将电磁感应定律三种不同表达式应用在非隔离直流变换器中,取得了很好的教学效果。龙源期刊网参考文献[1]陈坚．电力电子学[M]．北京:高等教育出版社,2002．[2]丁道宏．电力电子技术[M]．北京:航空工业出版社,1999．[3]周渊深．电力电子技术与Matlab仿真[M]．北京:中国电力出版社,2005．[4]赵修科．开关电源中磁性元件[M]．辽宁科学技术出版社,2002．