電氣工程領(lǐng)域口徑寬，知識(shí)更新快，相對(duì)于其他學(xué)科，理論與實(shí)踐的教學(xué)要求較高。教學(xué)模式的改革可以在不大幅改動(dòng)當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)的前提下，改進(jìn)授課方式與考察方式，達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的目的。本文對(duì)“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)模式進(jìn)行探索，研究了如何提煉教學(xué)的技術(shù)路線(xiàn)與關(guān)鍵問(wèn)題，以更好幫助學(xué)生緊密知識(shí)點(diǎn)與授課內(nèi)
容。
1、“電子電子技術(shù)”課程的教學(xué)方法
以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)模式PBL是一種以問(wèn)題為導(dǎo)向，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的教學(xué)模式。這種模式在工科院校的實(shí)施存在一定的挑戰(zhàn): 工科知識(shí)點(diǎn)的分散與問(wèn)題的提出形成了一對(duì)矛盾; 如不能準(zhǔn)確提煉問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)授課對(duì)象認(rèn)識(shí)不夠全面，從而背離zui初的教學(xué)目標(biāo)。所以提煉PBL模式下教學(xué)的技術(shù)路線(xiàn)與關(guān)鍵性問(wèn)題十分必要。既需要讓學(xué)生對(duì)提出的問(wèn)題一目了然，抓住重點(diǎn)，又必須具有全面性。
就教學(xué)方法而言，“電力電子技術(shù)”的前接課程主要以電路直觀(guān)的方式進(jìn)行教學(xué)，而進(jìn)入本課程學(xué)習(xí)時(shí)，要逐漸幫助學(xué)生建立起電路—模型—系統(tǒng)的概念。其后續(xù)課程主要注重?cái)?shù)學(xué)描述與系統(tǒng)理論，故“電力電子技術(shù)”的教學(xué)在整個(gè)電氣工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)中處于中間環(huán)節(jié)，起著承前啟后的作用; 所以采用以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)模式時(shí)必須充分考慮“電力電子技術(shù)”課程的這一特殊性。
我們以圖1 所示的降壓式電子變換器為例。若定義開(kāi)關(guān)變量d = 1 代表開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，d = 0 代表開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則可以寫(xiě)出用來(lái)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性的微分方程組:

需要注意的是，上式是一個(gè)非線(xiàn)性方程組，對(duì)于電路設(shè)計(jì)者而言，可以利用該微分方程組進(jìn)行系統(tǒng)的建模與動(dòng)態(tài)仿真; 而對(duì)于電力電子電路的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，上式不具備電路( 物理) 直觀(guān)性，對(duì)理解電路工作過(guò)程及計(jì)算方法幫助十分有限。

圖1 降壓式電子變換器
所以在引出后續(xù)課程的分析方法之前，教師可以適當(dāng)利用電路直觀(guān)的方法進(jìn)行電力電子電路的教學(xué)，以利于學(xué)生分析思路的銜接與轉(zhuǎn)變。
2、課程教學(xué)主線(xiàn)分析
基于電路的分析方法可以幫助學(xué)生更好前接課程知識(shí)，消除對(duì)非線(xiàn)性開(kāi)關(guān)電路的畏懼心理。本文采取了以基本電路定理( KCL 和KVL) 為主線(xiàn)貫穿教學(xué)過(guò)程，以下面將介紹的四種分析方法為支撐。我們通過(guò)分析方法的映射，將電力電子電路八個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題起來(lái)，如圖2 所示。

圖2 電力電子電路教學(xué)模式
基爾霍夫的電壓定律KVL 和電流定律KCL 適用于任何電路的分析。前接課程的學(xué)習(xí)中，KCL 和KVL 主要用在連續(xù)電路量上，而電力電子分析的電路量多為斷續(xù)量，例如圖1 中開(kāi)關(guān)T 和二極管D 聯(lián)結(jié)點(diǎn)的電流，以及二極管、電感和電容回路的電壓皆是。所以電力電子電路的分析中，KVL 和KCL 依然是zui基本的分析工具。基于兩個(gè)定律并且結(jié)合多輪的教學(xué)實(shí)踐，本文提煉了如下四種分析方法。
1) 無(wú)源器件性質(zhì)
無(wú)源器件電感的伏秒平衡和電容的安秒平衡是開(kāi)關(guān)電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的必要條件，這兩個(gè)平衡關(guān)系為穩(wěn)態(tài)計(jì)算提供便利。通常電感伏秒平衡可以用來(lái)進(jìn)行電路穩(wěn)態(tài)關(guān)系計(jì)算，而電容安秒平衡可以用于電容內(nèi)部損耗與電壓紋波的計(jì)算。
2) 平均化技術(shù)
平均化技術(shù)將一個(gè)周期變化量進(jìn)行平均處理，用數(shù)學(xué)中時(shí)間加權(quán)的概念取變量的平均值進(jìn)行計(jì)算; 平均化技術(shù)將時(shí)變波形直流化，可以簡(jiǎn)化電路的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)計(jì)算。
3) 小紋波假設(shè)
在一個(gè)相對(duì)電路時(shí)間常數(shù)很短的時(shí)間段內(nèi)，如果電路變量變化不大，可以假設(shè)在這一段時(shí)間內(nèi)此電路變量為恒定值; 或者用線(xiàn)性關(guān)系來(lái)代替指數(shù)關(guān)系。小紋波假設(shè)是一種降階的處理方法，可以提高計(jì)算效率。
4) 小信號(hào)分析
由于電力電子電路是非線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要關(guān)注系統(tǒng)的小信號(hào)特性; 而在電力電子初級(jí)學(xué)習(xí)階段，借助小信號(hào)分析法可以定性探討系統(tǒng)的紋波特性，從而得到一些有利于系統(tǒng)計(jì)算與設(shè)計(jì)的快速結(jié)論。
3、關(guān)鍵問(wèn)題研究
對(duì)本研究中教學(xué)模式的關(guān)鍵問(wèn)題凝煉可以有機(jī)結(jié)合本課程常用的分析方法，有邏輯性的展開(kāi)教學(xué)，幫助學(xué)生掌握電力電子電路的分析方法與手段。結(jié)合以往教學(xué)與科研實(shí)踐，本研究中提煉了如下八個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
1) 換流問(wèn)題
換流是開(kāi)關(guān)電路*的現(xiàn)象; 換流在本質(zhì)上是典型的KCL 問(wèn)題; 通過(guò)結(jié)合可控/不控開(kāi)關(guān)的性質(zhì)與KCL 定理可以使得分析過(guò)程更加直觀(guān)，有助于學(xué)生舉一反三。
2) 功率傳輸模式/濾波器模式問(wèn)題
開(kāi)關(guān)變換器由組合開(kāi)關(guān)與濾波器組成，分析電路時(shí)不必拘泥于元件與回路，可以采用端口網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行分析。如圖3 虛線(xiàn)所示變換器可以拆分成開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)與LC 濾波器的接連形式。這種拆分直觀(guān)地便于學(xué)生利用系統(tǒng)的視角，以模塊化的思想理解電路結(jié)構(gòu)。

圖3 變換器端口網(wǎng)絡(luò)分解
3) 電感電流紋波問(wèn)題
磁元件是電力電子電路中重要的組成部分。電感的尺寸、開(kāi)關(guān)頻率和電感電流的紋波有直接。理解電感紋波問(wèn)題需要掌握無(wú)源器件的性質(zhì)、KVL方法和平均化技巧，這些促使電路的分析進(jìn)一步工程化和實(shí)際化。
4) 運(yùn)行模式問(wèn)題
電感電流紋波的分析會(huì)直接引出變換器的電感電流連續(xù)模式CCM 與斷續(xù)模式DCM。這兩種模式導(dǎo)致電路的穩(wěn)/暫態(tài)性能有較大區(qū)別，分析這兩種運(yùn)行模式需要綜合運(yùn)用第2 節(jié)中的技巧。對(duì)CCM 與DCM 模式下的各項(xiàng)指標(biāo)的綜合對(duì)比，可以評(píng)估學(xué)生的綜合運(yùn)用各種分析技巧的效果。
5) 穩(wěn)態(tài)性能分析問(wèn)題
電力變換器的穩(wěn)態(tài)性能主要指的是輸入輸出的電壓/電流關(guān)系、系統(tǒng)效率和功率因數(shù)等。平均化技術(shù)和無(wú)源器件性質(zhì)是求解此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵。
6) 開(kāi)關(guān)器件電壓/電流應(yīng)力問(wèn)題
電力電子電路中，由于換流現(xiàn)象的存在，開(kāi)關(guān)器件的電壓和電流是斷續(xù)的; 要分析開(kāi)關(guān)器件的電壓電流應(yīng)力，需要綜合利用KCL 和KVL 定理以及開(kāi)關(guān)器件容量的選取方法。對(duì)各基本電路拓?fù)渲虚_(kāi)關(guān)器件電壓/電流的計(jì)算和比較，也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
7) 電容電壓紋波與電流計(jì)算問(wèn)題
大多數(shù)電力電子電路以恒壓輸出為主要目標(biāo)，所以電容是電力電子變換電路通常采用的輸出元件。電容電壓的浮動(dòng)和電容電荷的充放電有直接關(guān)系，通過(guò)電容輸出節(jié)點(diǎn)的KCL 方程，再結(jié)合小信號(hào)分析法，可以得出電容中的電流與其他支路電流的關(guān)系;對(duì)充電或放電電流積分，可以得到補(bǔ)充或釋放的電荷從而獲取電容電壓紋波表達(dá)式。電容電壓與電流的計(jì)算對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的評(píng)估有重要意義。表1 概括了教學(xué)模式中的八個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題與對(duì)應(yīng)的定理與分析方法，主要分析技術(shù)分布于關(guān)鍵問(wèn)題之中，表明提出的關(guān)鍵問(wèn)題具有普適性。

表1 技術(shù)路線(xiàn)與關(guān)鍵問(wèn)題映射
本文提出了應(yīng)用于“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)的技術(shù)路線(xiàn)、關(guān)鍵問(wèn)題及其呈現(xiàn)形式; 對(duì)該課程教學(xué)中的主要問(wèn)題進(jìn)行了剖析，對(duì)需要考察的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了梳理與探討。分析結(jié)果表明，主要技術(shù)路線(xiàn)與關(guān)鍵問(wèn)題的選擇在電力電子技術(shù)教學(xué)的中起到了承前啟后的作用。教學(xué)實(shí)踐的評(píng)估表明，本文中提出的技術(shù)路線(xiàn)與關(guān)鍵問(wèn)題對(duì)學(xué)生的初步自學(xué)與后續(xù)的深入學(xué)習(xí)提供了清晰的思路。