周玉斐

摘要：本文以課題為載體，設(shè)計(jì)基于諧振型電路的設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。以課題為載體，為學(xué)生創(chuàng)建能夠激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的環(huán)境，隨之引入教學(xué)內(nèi)容，加深對(duì)基本概念、基本原理的理解，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)理論、方法和技能的培養(yǎng)，從而建立理論結(jié)合實(shí)踐的優(yōu)良教學(xué)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：電路教學(xué)；諧振型電路；實(shí)驗(yàn)裝置；課程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）02-0187-02

一、前言

國(guó)務(wù)院《關(guān)于深化教育改革全面推進(jìn)素質(zhì)教育的決定》中明確指出：“實(shí)行素質(zhì)教育要以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為重點(diǎn)”，“高等教育要重視培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)業(yè)能力”，并要求“加強(qiáng)課程的綜合性和實(shí)踐性，重視實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力”。電路實(shí)驗(yàn)課程能有效連接電路理論和工程實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，提高動(dòng)手能力[1-4]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)于強(qiáng)調(diào)接受學(xué)習(xí)、機(jī)械學(xué)習(xí)、死記硬背，忽視了學(xué)生通過(guò)什么樣的方法和策略來(lái)學(xué)習(xí)，一知半解、死記硬背，掩蓋了學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問(wèn)題，致使學(xué)生的學(xué)習(xí)缺陷、知識(shí)缺陷暴露在以后的就業(yè)和工作中。主要表現(xiàn)如下：（1）傳統(tǒng)的試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)使學(xué)生對(duì)元器件封裝和參數(shù)等一無(wú)所知，通過(guò)裸露的插孔完成實(shí)驗(yàn)，無(wú)法參與實(shí)驗(yàn)調(diào)試和故障排除。（2）實(shí)驗(yàn)箱中電路模塊不可調(diào)，只能按已有模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這些都遏制了學(xué)生的創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力的發(fā)展。

本文針對(duì)教學(xué)改革中如何將教學(xué)和實(shí)踐有效結(jié)合，以及如何實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)型教學(xué)的靈活、有效的操作程序等關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)展基于創(chuàng)設(shè)問(wèn)題的諧振型電路的設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究和建設(shè)，進(jìn)行關(guān)于相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的設(shè)計(jì)和具體實(shí)施。本文介紹諧振型電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置。通過(guò)巧妙構(gòu)思和靈活設(shè)置，使學(xué)生理解并熟悉諧振型電路的工作原理和相關(guān)技術(shù)，提高本專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力。

二、教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

諧振型電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。交流方波電壓或電流加在諧振網(wǎng)絡(luò)兩端，產(chǎn)生高頻諧振，諧振電壓或電流經(jīng)過(guò)整流和濾波后，轉(zhuǎn)變成直流電壓或電流，從而實(shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換。

設(shè)計(jì)的諧振型電路模塊是具有同步整流電路的半橋LLC諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器，其電氣參數(shù)如下：

1.輸入電壓：Vin=375-405VDC

2.額定輸出功率：Po=300W

3.輸出電壓：Vo=12VDC

4.額定輸出電流：25A

5.輸出電壓負(fù)載穩(wěn)壓：≤1%

6.輸出電壓峰值至峰值紋波：≤120mV

7.效率：>90%

8.開(kāi)關(guān)頻率：fs=80kHz-150kHz

9.諧振頻率：fr=130kHz

設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

電路按功能分成不同區(qū)塊的功能組，可以實(shí)現(xiàn)每次一個(gè)部分的單獨(dú)調(diào)試和測(cè)試。所有脈寬調(diào)制（PWM）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）信號(hào)已經(jīng)設(shè)計(jì)了指定的測(cè)試點(diǎn)。

區(qū)塊1：主板區(qū)——包含具有同步整流的隔離諧振LLC DC/DC功率電路、控制板插槽、電源接頭等。

區(qū)塊2：輔助電源區(qū)——包含12V DC電源、一個(gè)外部DC電源生成12V—15V，5V和3.3V DC電源。

區(qū)塊3：通信接口區(qū)——包含通過(guò)USB提供到主機(jī)的板載隔離JTAG連接并提供隔離SCI（UART）通信。

三、實(shí)驗(yàn)科目設(shè)計(jì)

該諧振型變換器模塊教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置充分采用模塊化設(shè)計(jì)思想與組件架構(gòu)原則。測(cè)試板部分作為母板，主功率電路和輔助電源等均設(shè)計(jì)為獨(dú)立電路模塊，既可分開(kāi)單獨(dú)調(diào)試，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；也可進(jìn)行多種組合，完成綜合性功能實(shí)驗(yàn)。以下為構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)示例。

構(gòu)建1：用于檢查DC/DC級(jí)功能性的開(kāi)環(huán)運(yùn)行。構(gòu)建的目標(biāo)如下：（1）驗(yàn)證PWM和ADC信號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)正常；（2）驗(yàn)證電路板上的功率級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn)正常；（3）手動(dòng)控制電路板上功率級(jí)的周期（頻率的倒數(shù)），并且評(píng)估其輸出。

構(gòu)建2：DC/DC級(jí)的閉環(huán)運(yùn)行。構(gòu)建的目標(biāo)為使用PID控制來(lái)調(diào)節(jié)具有閉環(huán)反饋的輸出電壓。

構(gòu)建3：模擬比較器被啟用時(shí)的DC/DC級(jí)閉環(huán)運(yùn)行。構(gòu)建的目標(biāo)為使用模擬比較器根據(jù)同步整流電流電平來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)整同步整流PWM關(guān)閉時(shí)序。

通過(guò)設(shè)置程序中的變量即可控制和監(jiān)視支持同步整流的半橋LLC諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器。

實(shí)驗(yàn)科目的設(shè)置遵循先易后難、先局部后整體，使學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地鍛煉。各實(shí)驗(yàn)均給出清晰的原理說(shuō)明，統(tǒng)一的指標(biāo)要求與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，不限定解決辦法，鼓勵(lì)不同的解決思路，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性與創(chuàng)造性。實(shí)驗(yàn)既有基礎(chǔ)部分也有提高部分，既顧及學(xué)生的平均水平，達(dá)到普遍鍛煉的目的，也充分調(diào)動(dòng)了能力突出學(xué)生的積極性，具有一定的挑戰(zhàn)性。

參照以上實(shí)驗(yàn)科目設(shè)計(jì)原則，我們制訂了適合本實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。首先安排一個(gè)簡(jiǎn)單的器件性能測(cè)試，旨在熟悉有源器件和無(wú)源器件的工作特點(diǎn)和封裝、了解開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)的設(shè)置方法。其次進(jìn)行DC/DC級(jí)功能性的開(kāi)環(huán)運(yùn)行測(cè)試，主要是PWM和ADC的測(cè)試和調(diào)試，包括邏輯控制電路、調(diào)制電流控制電路和手動(dòng)調(diào)試功率級(jí)的周期。最后為DC/DC級(jí)的閉環(huán)運(yùn)行測(cè)試，包括使用PID控制來(lái)調(diào)節(jié)具有閉環(huán)反饋的輸出電壓等。各實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)手冊(cè)均包括預(yù)習(xí)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)條件、基礎(chǔ)部分、提高部分、測(cè)試表格和實(shí)驗(yàn)記錄等。

四、總結(jié)

功率開(kāi)關(guān)變換系統(tǒng)是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程。我們?cè)O(shè)計(jì)了一套針對(duì)具體應(yīng)用背景的諧振型電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，并將裝置按照實(shí)驗(yàn)需要分區(qū)塊設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)不同層次的實(shí)驗(yàn)科目，能夠鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新品質(zhì)、綜合運(yùn)用能力等，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性與創(chuàng)造性來(lái)解決問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾慶國(guó).電路教學(xué)改革與優(yōu)化探索[J].教育教學(xué)論壇，2016，18（5）：113-114.

[2]陳希有，劉鳳春，牟憲民，周宇翔.非接觸式電能傳輸之阻抗變換作為電路教學(xué)案例[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（1）：70-73.

[3]李曉冬，李淑明.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下基礎(chǔ)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[J].教育現(xiàn)代化，2017，46（11）：41-42.

[4]王金玉，付光杰，姜春雷.EDA技術(shù)與電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（12）：170-172.

Abstract：In this paper，we design a comprehensive and innovative experiment based on resonant circuit.Taking the subject as the carrier，creating an environment that can stimulate the students' interest in learning，then introducing the teaching content，deepening the understanding of the basic concepts and principles，realizing the cultivation of systematic experimental theory，methods and skills.In order to establish a good teaching environment combining theory with practice.

Key words：circuit teaching；resonant circuit；experimental device；course design