电力电子教学中非隔离直流变换器教学探讨

电力电子教学中非隔离直流变换器教学探讨

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 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）

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。

2 降压直流斩波器

Buck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

(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: