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固纬电子电力电子教学小课堂 | 第四十一讲: PEK-120应用于电气专业《电力电子技术》课程教学的效果前后对比

发布日期：2026-10-16 点击次数： 104 作者：固纬电子

《电力电子技术》是电气类专业核心主干课程，兼具理论性、工程性与实践性，其中DC-DC变换电路拓扑、双闭环控制策略是课程重难点内容，也是学生后续从事电力电子研发、新能源技术应用的基础。传统本科教学存在理论抽象、实验固化、实操创新性不足等问题，学生难以建立理论与工程实践的关联。小课堂以固纬电子PEK-120全数字Buck变换器开发模块为教学载体，从Buck电路教学价值、双环控制教学作用、实验教学优化维度、创新教学实施路径四个方面，对比分析PEK-120应用前后的教学效果。实践表明，PEK-120模块可有效破解传统教学痛点，实现仿真、编程、硬件实操一体化教学，显著提升学生的电路分析、控制设计与工程创新能力，为电力电子课程实验教学改革提供有效支撑。

PEK-120 降压式转换器模组

01 引　言

《电力电子技术》依托电力变换、自动控制、电气传动等多学科知识，是衔接电气专业基础理论与工业工程应用的关键课程，其中Buck降压变换电路是最基础、应用最广泛的DC-DC拓扑结构，电压外环、电流内环双闭环控制是电力电子变换器的核心控制策略，是课程教学的重中之重。在传统本科教学模式中，理论授课以公式推导、原理讲解为主，实验教学多采用固定接线、固定参数的标准化实验台，学生仅能完成简单的波形观测与数据记录，无法参与电路设计、参数调试与控制算法编程，存在“重理论、轻实操、无创新”的教学弊端。

固纬PEK-120是一款面向高校教学与科研的全数字Buck变换器开发模块，集成硬件电路、测试点位、数字控制单元，支持开环控制、单环控制、双环控制及新能源MPPT拓展实验，可搭配PSIM仿真、SimCoder编程实现从理论仿真到硬件实物验证的全流程教学，完美适配本科电力电子课程的教学需求。小课堂通过对比传统教学与PEK-120辅助教学的实施效果，系统探究该模块在课程教学中的应用价值与创新路径。PEK-120模块图如图1所示。

PEK-120 Buck电路配置在本科教学

的地位和作用

传统Buck电路教学的痛点与不足

Buck电路作为DC-DC变换的基础拓扑，是学生学习电力电子变换原理、器件特性、PWM调制技术的入门载体，也是后续Boost、Buck-Boost、桥式变换电路学习的基础。在传统教学体系中，Buck电路教学存在明显短板。理论教学中，教师仅通过电路图、波形图讲解降压变换原理、电感电容滤波特性、开关器件工作机制，抽象的电路动态过程难以被本科生理解，学生普遍存在“懂公式、懂原理、不会应用”的问题。

实验教学中，传统实验设备电路固化、参数固定，接线方式、实验流程统一化，学生无法自主调整电路参数、更改工作模式，仅能被动完成验证性实验。同时，传统设备缺乏精细化测试点位，电路动态响应、器件损耗、负载变化特性等关键工程现象无法直观观测，导致学生难以理解Buck电路在不同工况下的工作特性，工程认知严重不足。

图1 PEK-120 模块图

PEK-120 Buck电路配置的教学地位与核心作用

PEK-120模块以标准Buck降压电路为核心硬件架构，是本科电力电子技术课程核心教学内容，在课程体系中起到“奠基性、衔接性、工程性”三重作用。首先，该模块硬件电路完全贴合本科教材经典Buck拓扑，器件布局清晰、测试点位齐全，能够将抽象的理论电路图转化为可视化、可操作的实物电路，让学生直观识别开关管、续流二极管、滤波电感、滤波电容等核心器件，清晰掌握电路拓扑结构与工作流程，夯实课程基础理论认知。PEK-120主电路及主要功能框图如图2所示。

图2 PEK-120主电路及主要功能框图

其次，PEK-120支持输入电压、负载电阻、开关频率等参数自主调节，学生可通过改变电路参数，观测输出电压、电流波形的变化，直观理解参数对Buck电路稳压精度、动态响应、纹波特性的影响，破解传统教学中参数优化、工况分析的教学难点。同时，模块兼容PSIM仿真软件，可实现“仿真建模-参数调试-硬件验证”的闭环教学，让学生掌握电力电子电路从设计到验证的完整工程流程，搭建起理论知识与工程实践的桥梁。

最后，PEK-120的Buck电路配置具备良好的拓展性，可延伸至新能源发电、直流供电系统等工程应用场景，帮助学生理解Buck电路在光伏稳压、蓄电池充电、低压配电等实际场景的应用逻辑，打破传统教学的单一知识壁垒，培养学生的工程应用思维。

外环电压环和内环电流环双环控制

在本科教学中的地位和作用

传统双环控制教学的难点

双闭环控制是电力电子变换器高性能稳压、稳流的核心技术，电压外环负责稳定输出电压、实现负载自适应调节，电流内环负责限制电感电流、抑制电流冲击、提升系统动态响应，是《电力电子技术》课程的核心重难点，也是学生后续学习电力电子控制技术、新能源控制算法的基础。

传统教学模式下，双环控制教学以理论推导、公式分析、仿真演示为主，教师重点讲解PI控制原理、双环闭环传递函数、小信号模型分析等理论知识，内容晦涩难懂。实验环节缺乏可实操的数字控制平台，学生无法直观区分电压环、电流环的独立作用与协同逻辑，难以理解双环控制相较于单环控制的优势，对“外环稳压、内环限流”的核心控制逻辑认知模糊，普遍存在“只会做题、不会调试、不懂控制”的问题，是本科教学的主要薄弱环节。

PEK-120双环控制模块的教学价值与作用

PEK-120模块搭载全数字双闭环控制架构，支持单电压环、单电流环、电压电流双环三种控制模式自由切换，是本科阶段讲解电力电子闭环控制的最优实验项目，彻底解决了传统双环控制教学抽象、无法实操的痛点。在理论辅助教学中，教师可依托模块的控制逻辑架构，直观拆解双环控制系统的信号采集、误差对比、PI调节、PWM输出全流程，将复杂的小信号模型、闭环控制原理转化为具象的硬件控制过程，降低学生的学习难度。

在实验实操教学中，学生可自主完成双环控制参数设计、SimCoder程序编写、控制器参数下载与调试，独立对比单环控制与双环控制的输出波形、稳压精度、动态响应差异。通过负载突变、输入电压波动等工况测试，学生可直观观测到电流内环快速抑制电流冲击、电压外环精准稳压的协同作用，深刻理解双环控制“动态响应快、抗干扰能力强、稳态精度高”的技术优势。

同时，PEK-120支持PI参数自主整定，学生可通过调整比例系数、积分系数，观测系统超调量、调节时间、稳态误差的变化，掌握电力电子控制器参数优化的基本方法，初步具备电力电子变换器控制算法设计与调试的能力，实现从“理论认知”到“工程设计”的进阶提升。在PSIM中建立的双环控制模拟仿真图如图3所示。

PEK-120应用于本科教学实验

的核心改善维度

实验模式：从固定验证性实验转向自主设计性实验

传统电力电子实验为标准化验证实验，设备参数固定、实验流程固定、实验结果固定，学生无需自主思考，仅按照实验指导书完成接线、开机、读数即可，实验过程缺乏自主性与探究性，无法锻炼学生的创新思维与实操能力。引入PEK-120模块后，实验模式实现根本性转变，模块支持电路参数、控制模式、控制算法的自主设计与调试，学生可根据实验目标，自主完成仿真建模、参数计算、程序编写、硬件调试、数据分析全流程，将被动验证实验转化为主动设计实验，充分激发学生的自主探究能力。

教学体系：实现仿真与硬件的一体化闭环教学

传统教学中，仿真教学与硬件实验相互割裂，仿真仅为课堂理论演示，硬件实验无仿真预研环节，学生无法将仿真模型与实物电路对应，知识衔接断层。PEK-120模块深度适配PSIM仿真软件与SimCoder代码生成工具，构建“理论讲解-仿真建模-代码生成-硬件下载-实物验证-参数优化”的一体化教学体系。学生先通过仿真完成电路与控制算法的初步设计，验证方案可行性，再将仿真代码移植到硬件模块，通过实物实验修正仿真误差，实现仿真与硬件的深度融合，大幅提升教学系统性与严谨性。PEK-120模块在PTS1000完成实操图如图4所示。

图3 PSIM中建立的双环控制模拟仿真图

图4 PTS1000实验平台系统

实训内容：从基础拓扑实训拓展到工程应用实训

传统实验内容仅覆盖Buck电路基础波形观测、开环特性测试，内容单一、覆盖面窄，与工程实际脱节。PEK-120模块可实现多层次、全覆盖的实验实训内容，基础层可完成Buck电路开环PWM调制、稳态输出特性实验；进阶层可完成单环、双环闭环控制调试、PI参数整定实验；拓展层可开展光伏MPPT追踪、蓄电池充电控制等新能源工程实训，贴合当下新能源电力电子的行业应用需求，丰富了课程实训体系，弥补了传统实验内容滞后于行业发展的短板。

能力培养：从基础实操能力转向综合工程能力

传统实验仅能锻炼学生的基础接线、数据读取能力，对学生电路设计、故障排查、算法调试、工程分析能力的培养几乎空白。基于PEK-120的实验教学，学生需要自主完成方案设计、程序编写、参数调试、故障排查、数据对比分析，全方位锻炼电力电子电路设计、数字控制算法应用、工程问题解决能力，契合电气专业应用型、创新型人才的培养目标。

基于PEK-120的本科教学创新实施路径

重构分层递进式课堂教学体系

依托PEK-120模块搭建“基础-进阶-创新”三层递进式教学体系，适配不同层次学生的学习需求。基础层面向全体学生，开展Buck电路拓扑认知、开环工作特性、基础波形观测实验，夯实课程基础知识，确保所有学生掌握核心理论对应的实物特性；进阶层聚焦课程重难点，开展双环控制调试、PI参数整定、动态响应分析实验，帮助学生攻克闭环控制教学难点，掌握电力电子控制核心技术；创新层面向学有余力的学生，开展个性化创新实验，如负载自适应控制、输入电压扰动抑制、简易MPPT控制设计等，培养学生的创新设计能力。PEK-120实验实施路径如图5所示。

图5 PEK-120实验实施路径

推行仿真-实操融合的项目式教学

打破传统理论、实验分段教学模式，以工程项目为载体开展融合式教学。以“高性能Buck稳压变换器设计”为核心项目，拆解为拓扑建模、仿真优化、控制算法设计、硬件调试、性能测试五个子任务。学生以小组为单位，依托PEK-120模块完成全流程项目开发，将课堂理论知识转化为工程项目实践成果。教师全程针对性指导，重点解决学生算法调试、参数优化、故障排查中的问题，实现“以项目促学习、以实操强能力”的教学目标。

依托模块开展课程思政与工程素养教学

结合PEK-120模块的工程应用特性，融入工程素养与创新思政教育。在实验调试过程中，引导学生严谨对待参数整定、波形分析，培养精益求精的工匠精神；通过拓展新能源电力电子应用场景，让学生了解电力电子技术在新能源发电、新型电力系统中的核心作用，激发学生的专业认同感与科技创新使命感，实现知识传授、能力培养、价值引领的三位一体教学目标。

搭建课后创新实训平台，助力学科竞赛与科研

将PEK-120模块开放为课后创新实训平台，鼓励学生依托模块开展课外拓展学习、学科竞赛与科创项目研究。针对电子设计竞赛、电力电子创新大赛的常见题型，开展专项实训，指导学生基于模块完成变换器优化设计、控制算法创新，将课堂实验延伸为科创实践，有效提升学生的竞赛能力与科研创新能力，实现课堂教学与课外创新的有机衔接。

教学效果前后对比分析

理论教学效果对比

传统教学模式下，学生对Buck电路工作机理、双环控制逻辑的理解较为肤浅，对抽象的控制原理、小信号模型掌握薄弱，课程重难点知识掌握率偏低，期末考核中闭环控制、电路参数优化相关题型失分率较高。引入PEK-120辅助教学后，通过实物可视化、实操验证式学习，学生对核心知识点的理解深度显著提升，能够精准区分单环与双环控制的差异、掌握参数对电路性能的影响规律，重难点知识掌握率大幅提升，理论考核成绩明显优化。

实践能力对比

传统教学仅能培养学生基础的实验操作与数据记录能力，学生普遍存在不会设计电路、不会调试算法、不会分析工程问题的短板，工程实操能力薄弱。应用PEK-120模块后，学生可独立完成电力电子电路仿真建模、控制程序编写、硬件调试、性能优化全流程工作，具备了基础的电力电子变换器设计与调试能力，故障排查、工程问题分析能力显著提升，实践能力完全贴合行业岗位需求。

学习主动性与创新能力对比

传统标准化实验模式枯燥固化，学生学习积极性不足，被动完成实验任务，缺乏探究意识与创新思维。基于PEK-120的自主设计性实验模式，赋予学生充分的自主操作与创新空间，学生学习主动性、课堂参与度显著提升，能够主动探究参数优化、算法改进等创新问题，科创思维与自主学习能力得到有效锻炼，多名学生可依托模块完成课外创新项目与竞赛作品。

结　论

固纬PEK-120全数字Buck变换器模块高度适配电气专业《电力电子技术》本科教学需求，在课程教学中具有重要的应用价值。其标准化的Buck电路架构夯实了学生的拓扑基础认知，可视化的双环控制体系破解了课程核心教学难点，仿真与硬件一体化的实训模式彻底革新了传统固化的实验教学体系，全方位优化了课程教学效果。通过构建分层递进、项目驱动的创新教学模式，PEK-120模块有效实现了从“理论灌输”到“实践创新”的教学转型，显著提升了学生的电力电子工程实践能力与科技创新素养。

在后续教学中，可进一步挖掘PEK-120模块的拓展功能，结合新能源、新型电力系统等前沿技术，开发更多创新性、工程性实训项目，持续推进电力电子课程教学改革，为电气专业创新型、应用型人才培养提供更强有力的支撑。