侯舒婷 何銘蔓 陳心怡 李子楊

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學自動化與電氣工程學院 天津 300222）

0 引言

斬波電路是一種將電壓恒定的直流電變換為電壓可調(diào)的直流電的電力電子變流電路，該電路在電力電子相關(guān)課程的學習中占據(jù)重要地位。本文介紹了一個斬波電路輔助設(shè)計教學平臺，通過電力電子斬波電路輔助設(shè)計教學平臺，初學者可以選擇不同的拓撲結(jié)構(gòu)，進行所需要的參數(shù)設(shè)置，而后可以通過圖像化的分析結(jié)果輔助其對斬波電路的理解。在教學過程中，教師運用斬波電路輔助設(shè)計教學平臺輔助課堂，通過不同參數(shù)所呈現(xiàn)不同的仿真圖形的展示，從而加深學生對斬波電路內(nèi)容的理解。

張志華等在研究直流升降壓變換器的過程中，采用了仿真建模的思路，并使用了MATLAB/Simulink軟件，使得建模過程具有可視化的特性，使得電路更容易理解。賈立柱等同樣關(guān)注了利用MATLAB軟件搭建斬波電路的研究，并具體建立了升、降壓斬波電路系統(tǒng)模型。曾凡琳等從輔助教學及研究人員的角度出發(fā)，設(shè)計了可以進行斬波電路仿真并分析的仿真平臺。梁梅等通過MATLAB軟件，仿真斬波電路波形，根據(jù)仿真分析數(shù)據(jù)，指出了斬波電路負載的最優(yōu)設(shè)置方式。王洪凱等研究降壓斬波電路和Cuk斬波電路的電路原理，通過GUI調(diào)用Simulink搭建的仿真界面，將兩個子界面進行對比，得出重要結(jié)論。林輝等闡述了升降壓斬波和Cuk斬波電路仿真模型的示波器檢測的通道信號，提供電感電阻的參考值，從而得出具有參考價值的斬波仿真圖形。成卓敏等通過展示計算過程和波形圖分析過程，重點關(guān)注Sepic斬波電路的分析過程，闡述了Sepic斬波電路的工作原理。

鑒于學術(shù)界對斬波電路的研究，局限于特定的一種斬波電路并進行仿真，本文開發(fā)了綜合四種斬波電路的統(tǒng)一斬波電路輔助設(shè)計教學平臺。

1 斬波電路輔助設(shè)計教學平臺功能設(shè)計

斬波電路輔助設(shè)計教學平臺由一個主界面和四個子界面組成。該平臺如圖1斬波電路輔助設(shè)計教學平臺所示。電路選擇模塊為該平臺的主界面，參數(shù)設(shè)置模塊、仿真選擇模塊、仿真圖形展示模塊以及電路基礎(chǔ)知識模塊組成該平臺的子界面。

圖1：斬波電路輔助設(shè)計教學平臺

在主界面電路選擇模塊中，設(shè)置了可供學生選擇電路的按鈕，分別為升壓斬波電路、降壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路，如圖2斬波電路輔助設(shè)計教學平臺主界面所示。

圖2：斬波電路輔助設(shè)計教學平臺主界面

在子界面中學生可以查看斬波電路的相關(guān)知識，并根據(jù)需要在參數(shù)設(shè)置模塊中填寫所需的數(shù)據(jù)，點擊仿真選擇模塊后可在波形展示模塊觀察到相應(yīng)的波形圖。以降壓斬波為例，如圖3降壓斬波電路子界面所示。

圖3：降壓斬波電路子界面

為了方便教學，進入子界面后，電路基礎(chǔ)知識模塊將介紹該電路的相關(guān)知識并為初學者提供優(yōu)質(zhì)參數(shù)，同時教師也可以根據(jù)此優(yōu)質(zhì)參數(shù)，進行高質(zhì)量教學。仿真圖形展示模塊所提供的輸出電壓、輸入電流等參數(shù)的波形也有利于學生深入了解電路知識。

斬波電路輔助設(shè)計教學平臺操作流程如下：學生進入仿真平臺主界面，選擇不同的斬波電路類型進入子界面，子界面分別為升壓斬波電路、降壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路；進入子界面后學生根據(jù)需求點擊相應(yīng)電路知識模塊或進行數(shù)據(jù)的輸入，輸入后點擊開始程序仿真；仿真結(jié)束后，學生可以得到所選電路對應(yīng)數(shù)據(jù)仿真的圖形，根據(jù)不同數(shù)據(jù)得到的不同圖形，深刻理解在電路中不同元件所起到的作用，為教師教學環(huán)節(jié)提供輔助。

2 可視化人機交互仿真平臺實現(xiàn)

為了提升教育教學水平，提高教師的教學質(zhì)量，該GUI程序設(shè)計人員通過使用MATLAB軟件，基于GUI/Simulink對斬波電路進行模擬仿真實驗。該仿真軟件首先設(shè)計四種斬波電路的Simulink仿真結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)通過改變相關(guān)參數(shù)得到相應(yīng)的波形圖的功能。其次將Simulink數(shù)據(jù)與GUI界面相結(jié)合，教師可以根據(jù)授課需求，調(diào)節(jié)不同的參數(shù)從而得到理想的波形圖。GUI界面包含三個模塊，學生可在自學階段利用該程序進行輔助學習，加快對斬波電路的理解。教師可以根據(jù)自擬定的授課計劃，通過調(diào)整不同的參數(shù)給學生展示各種類型的斬波電路。

以降壓斬波電路為例，如圖4斬波電路輔助設(shè)計分析仿真平臺主界面所示，在其平臺的主界面中，點擊降壓斬波電路按鈕，而后進入斬波電路子界面——降壓斬波電路，教師可以通過調(diào)整參數(shù)設(shè)置模塊中的參數(shù)，隨后可觀察到對應(yīng)的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流的仿真波形圖，如圖5降壓斬波電路子界面所示。

圖4：斬波電路輔助設(shè)計分析仿真平臺主界面

圖5：降壓斬波電路子界面

3 結(jié)論

綜合多種斬波電路，本文介紹了一個基于Simulink/GUI的電力電子斬波電路輔助設(shè)計教學平臺，該教學平臺通過Matlab軟件中的Simulink程序進行斬波電路仿真模型的搭建，其次進行GUI界面仿真圖形的展示，最后利用GUI界面調(diào)整Simulink模型參數(shù)，即可得到所需仿真圖形。較于當今傳統(tǒng)化電力電子教學課程，教師和學生可以通過自己的想法設(shè)置參數(shù)，進行個性化修改，最終得到所需的仿真波形圖，既能為電力電子課堂提供一個有利的教學平臺，又能提高教學效率。