開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成的高增益高頻整流隔離變換器的制造方法【專利摘要】本發(fā)明公開了兩種開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成的高增益高頻整流隔離變換器，屬于電力電子變換器【
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】。所述開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成的高增益高頻整流隔離變換器由高頻交流矩形波電壓源、包含多個繞組的變壓器、高頻電感、四個二極管、兩個開關(guān)管、兩個輔助電容、輸出濾波電容和負載構(gòu)成，本發(fā)明利用高頻電感和開關(guān)管使整流電路具備了可控的升壓整流能力，利用輔助電容構(gòu)成開關(guān)電容電路提升整流電路的升壓能力，利用多繞組變壓器進一步提升升壓能力，使得整流電路具備了很高的升壓能力，而且實現(xiàn)了所有開關(guān)管和二極管的軟開關(guān)，可有效減小開關(guān)損耗、提高效率，本發(fā)明特別適合高效、高增益隔離升壓直流功率變換場合應(yīng)用?！緦＠f明】開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成的高增益高頻整流隔離變換器【
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】[0001]本發(fā)明涉及一種隔離型直流-直流電能變換器，尤其涉及開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成的高增益高頻整流隔離變換器，屬于電力電子變換器【
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】?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]在可再生能源發(fā)電、航空、航天、汽車以及醫(yī)療等【
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】的應(yīng)用中，出于安全的考慮并且為了滿足電壓的需求，通常需要采用隔離升壓直流變換器。如何提升隔離變換器的電壓增益、減小變換器所用器件的電壓應(yīng)力并實現(xiàn)高效率功率變換一直是該【
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】所關(guān)注的重點問題。[0003]傳統(tǒng)的隔離型直流變換器通過調(diào)整變壓器的變比來實現(xiàn)各種升壓功能，但是，單純依靠調(diào)整變壓器的變比來實現(xiàn)升壓存在以下問題:開關(guān)器件的電壓應(yīng)力高，特別是變換器副邊整流二極管的電壓應(yīng)力遠高于輸出電壓；變壓器漏感增加，引起開關(guān)器件的電壓尖峰和震蕩，進一步加劇了開關(guān)器件的應(yīng)力、降低了可靠性和效率。此外，傳統(tǒng)的隔離型直流變換器通常不能實現(xiàn)所有開關(guān)器件、特別是變壓器副邊器件的軟開關(guān)，極大的影響了變換器的效率。[0004]電流型隔離變換器是隔離升壓變換器的典型解決方案之一，如附圖1，該方案將升壓電路置于隔離變換器的原邊電路，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比可以實現(xiàn)隔離升壓功能，該方案可以有效減小變壓器繞組的匝數(shù)，整流二極管直接被輸出電壓箝位、電壓應(yīng)力較低。然而，其主要問題在于原邊開關(guān)管的電壓應(yīng)力過高，特別是開關(guān)管關(guān)斷時變壓器漏感等會引起極大的電壓尖峰，嚴重影響變換器的正常運行，因此必須加入合適的有源或無源吸收電路，導(dǎo)致電路復(fù)雜。此外，該電路方案雖然可以實現(xiàn)升壓，但升壓能力有限，而且開關(guān)管不能實現(xiàn)軟開關(guān)，變換效率也受到影響。[0005]文獻“ChuanYao,XinboRuan,XuehuaWang,ChiK.Tse.1solatedBuck-BoostDC/DCConvertersSuitableforWideInput-VoltageRange[J].1EEETransactionsonPowerElectronics,2011,26(9):2599-2613.”將非隔離升壓電路置于隔離降壓變換器的副邊，連接在整流電路輸出端之后，以此實現(xiàn)隔離升壓功能。該方案的主要問題在于變壓器副邊的整流電路、非隔離升壓電路等都是硬開關(guān)，而且從輸入到輸出需要經(jīng)過兩級功率變換，這都會極大的降低變換器的整體效率。【
發(fā)明內(nèi)容】[0006]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，為隔離升壓功率變換場合提供一種開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成高增益高頻整流隔離變換器。[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:[0008]所述開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成的高增益高頻整流隔離變換器由高頻交流矩形波電壓源(Uin)、變壓器(T)、高頻電感(Lh)、第一開關(guān)管⑶)、第二開關(guān)管(S2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、第一輔助電容(Cal)、第二輔助電容(Ca2)、輸出濾波電容(C。)和負載(R。)構(gòu)成，其中，變壓器⑴包括原邊繞組(NP)、第一副邊繞組(Nsi)、第二副邊繞組(Ns2)和第三副邊繞組(Ns3);所述高頻交流矩形波電壓源(uin)的一端連于變壓器(T)原邊繞組(Np)的同名端、高頻交流矩形波電壓源(Uin)的另一端連于變壓器⑴原邊繞組(Np)的非同名端。[0009]所述高頻電感(Lh)、第一開關(guān)管(S1)、第二開關(guān)管(S2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、第一輔助電容(Cal)、第二輔助電容(Ca2)、輸出濾波電容(C。)、負載(R。)以及變壓器⑴的第一副邊繞組(Nsi)、第二副邊繞組(Ns2)和第三副邊繞組(Ns3)有兩種可選的連接方式。[0010]方式一:所述變壓器(T)第一副邊繞組(Nsi)的同名端連于高頻電感(Lh)的一端，高頻電感(Lh)的另一端連于第一二極管(D1)的陽極、第一開關(guān)管(S1)的漏極和第一輔助電容(Cal)的一端，第一二極管(D1)的陰極連于變壓器(T)第二副邊繞組(Ns2)的同名端，變壓器(T)第二副邊繞組(Ns2)的非同名端連于第三二極管(D3)的陽極，第三二極管(D3)的陰極連于第四二極管(D4)的陰極、輸出濾波電容(C。)的一端和負載(R。)的一端，輸出濾波電容(C。)的另一端連于負載(R。)的另一端、第一開關(guān)管(S1)的源極和第二開關(guān)管(S2)的源極，第二開關(guān)管(S2)的漏極連于變壓器(T)第一副邊繞組(Nsi)的非同名端、第二輔助電容(Ca2)的另一端和第二二極管(D2)的陽極，第二二極管(D2)的陰極連于第一輔助電容(Cal)的另一端和變壓器⑴第三副邊繞組(Ns3)的非同名端，變壓器⑴第三副邊繞組(Ns3)的同名端連于第四二極管(D4)的陽極。[0011]方式二:所述變壓器(T)第一副邊繞組(Nsi)的同名端連于高頻電感(Lh)的一端，高頻電感(Lh)的另一端連于第一開關(guān)管(S1)的源極、第一二極管(D1)的陰極和第一輔助電容(Cal)的一端，第一開關(guān)管(S1)的漏極連于第二輔助電容(Ca2)的一端和變壓器(T)第二副邊繞組(Ns2)的同名端，變壓器(T)第二副邊繞組(Ns2)的非同名端連于第三二極管(D3)的陽極，第三二極管(D3)的陰極連于第四二極管(D4)的陰極、輸出濾波電容(C。)的一端和負載(R。)的一端，輸出濾波電容(C。)的另一端連于負載(R。)的另一端、第一二極管(D1)的陽極和第二二極管(D2)的陽極，第二二極管(D2)的陰極連于變壓器(T)第一副邊繞組(Nsi)的非同名端、第二輔助電容(Ca2)的另一端和第二開關(guān)管(S2)的源極，第二開關(guān)管(S2)的漏極連于第一輔助電容(Cal)的另一端和變壓器(T)第三副邊繞組(Ns3)的非同名端，變壓器(T)第三副邊繞組(Ns3)的同名端連于第四二極管(D4)的陽極。[0012]本發(fā)明技術(shù)方案與既有技術(shù)方案的本質(zhì)區(qū)別在于，將升壓電路集成到了隔離變換器的高頻整流電路中，并通過開關(guān)電容和多繞組變壓器提高整流電路的升壓能力，這不僅可以有效減小器件應(yīng)力，而且能夠?qū)崿F(xiàn)所有開關(guān)器件的軟開關(guān)、改善變換效率。[0013]本發(fā)明具有如下有益效果:[0014](I)整流電路本身能夠?qū)崿F(xiàn)升壓功能，有效地減小了所用變壓器繞組的匝數(shù)，從而可以大幅減小變壓器漏感、改善效率；[0015](2)通過開關(guān)電容結(jié)構(gòu)和多繞組變壓器能夠大幅提高電壓增益，這可以進一步減小所需變壓器繞組的匝數(shù)；[0016](3)所有開關(guān)管、二極管等功率器件都能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，變換效率高；[0017](4)所有開關(guān)管、二極管的功率器件都能夠自然實現(xiàn)電壓箝位，器件電壓應(yīng)力低?！緦＠綀D】【附圖說明】[0018]附圖1是傳統(tǒng)電流型隔離升壓變換器原理圖；[0019]附圖2是本發(fā)明開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成高增益高頻整流隔離變換器實施方式一的原理圖；[0020]附圖3是本發(fā)明開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成高增益高頻整流隔離變換器實施方式二的原理圖；[0021]附圖4是高頻交流矩形波電壓源的兩種實施例；[0022]附圖5是本發(fā)明開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成高增益高頻整流隔離變換器的主要工作波形圖；[0023]附圖6~9是本發(fā)明開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成高增益高頻整流隔離變換器在各開關(guān)1吳態(tài)的等效電路圖；[0024]以上附圖中的符號名稱:T為變壓器；NP、NS1、NS2和Ns3分別為變壓器⑴的原邊繞組、第一副邊繞組、第二副邊繞組和第三副邊繞組；LH為高頻電感；Si和S2分別為第一、第二開關(guān)管；D1、D2,D3和D4分別為第一、第二、第三和第四二極管；Cal和Ca2分別為第一和第二輔助電容；C。為輸出濾波電容；R。為負載；U。為輸出電壓；uin為高頻交流矩形波電壓源；UD。為直流電壓源；L1、L2為電感；Sp1、Sp2、Sp3和Sp4為開關(guān)管K1和C2為電容；im為高頻電感的電流；UgsPPUgsk^Ugsp3和Ugsp4分別為開關(guān)管Spl、Sp2、Sp3和Sp4的驅(qū)動電壓；U(；S1和Ugs2分別為第一和第二開關(guān)管的驅(qū)動電壓；‘、t1、t2、t3和t4為時間?！揪唧w實施方式】[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。[0026]本發(fā)明所述開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成高增益高頻整流隔離變換器由高頻交流矩形波電壓源(Uin)、變壓器(T)、高頻電感(Lh)、第一開關(guān)管⑶)、第二開關(guān)管(S2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、第一輔助電容(Cal)、第二輔助電容(Ca2)、輸出濾波電容(C。)和負載(R。)構(gòu)成，其中，變壓器⑴包括原邊繞組(NP)、第一副邊繞組(Nsi)、第二副邊繞組(Ns2)和第三副邊繞組(Ns3);所述高頻交流矩形波電壓源(Uin)的一端連于變壓器⑴原邊繞組(Np)的同名端、高頻交流矩形波電壓源(Uin)的另一端連于變壓器(T)原邊繞組(Np)的非同名端。[0027]所述高頻電感(Lh)、第一開關(guān)管(S1)、第二開關(guān)管(S2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、第一輔助電容(Cal)、第二輔助電容(Ca2)、輸出濾波電容(C。)、負載(R。)以及變壓器⑴的第一副邊繞組(Nsi)、第二副邊繞組(Ns2)和第三副邊繞組(Ns3)有兩種可選的連接方式。[0028]附圖2給出的是方式一的實施方式:所述變壓器(T)第一副邊繞組(Nsi)的同名端連于高頻電感(Lh)的一端，高頻電感(Lh)的另一端連于第一二極管(D1)的陽極、第一開關(guān)管(S1)的漏極和第一輔助電容(Cal)的一端，第一二極管(D1)的陰極連于變壓器(T)第二副邊繞組(Ns2)的同名端，變壓器(T)第二副邊繞組(Ns2)的非同名端連于第三二極管(D3)的陽極，第三二極管(D3)的陰極連于第四二極管(D4)的陰極、輸出濾波電容(C。)的一端和負載(R。)的一端，輸出濾波電容(C。)的另一端連于負載(R。)的另一端、第一開關(guān)管(S1)的源極和第二開關(guān)管(S2)的源極，第二開關(guān)管(S2)的漏極連于變壓器(T)第一副邊繞組(Nsi)的非同名端、第二輔助電容(Ca2)的另一端和第二二極管(D2)的陽極，第二二極管(D2)的陰極連于第一輔助電容(Cal)的另一端和變壓器(T)第三副邊繞組(Ns3)的非同名端，變壓器(T)第三副邊繞組(Ns3)的同名端連于第四二極管(D4)的陽極。[0029]附圖3給出的是方式二的實施方式:所述變壓器⑴第一副邊繞組(Nsi)的同名端連于高頻電感(Lh)的一端，高頻電感(Lh)的另一端連于第一開關(guān)管(S1)的源極、第一二極管(D1)的陰極和第一輔助電容(Cal)的一端，第一開關(guān)管(S1)的漏極連于第二輔助電容(Ca2)的一端和變壓器⑴第二副邊繞組(Ns2)的同名端，變壓器⑴第二副邊繞組(Ns2)的非同名端連于第三二極管(D3)的陽極，第三二極管(D3)的陰極連于第四二極管(D4)的陰極、輸出濾波電容(C。)的一端和負載(R0)的一端，輸出濾波電容(C。)的另一端連于負載(R0)的另一端、第一二極管(D1)的陽極和第二二極管(D2)的陽極，第二二極管(D2)的陰極連于變壓器(T)第一副邊繞組(Nsi)的非同名端、第二輔助電容(Ca2)的另一端和第二開關(guān)管(S2)的源極，第二開關(guān)管(S2)的漏極連于第一輔助電容(Cal)的另一端和變壓器(T)第三副邊繞組(Ns3)的非同名端，變壓器(T)第三副邊繞組(Ns3)的同名端連于第四二極管(D4)的陽極。[0030]在本發(fā)明中，所述高頻交流矩形波電壓源(Uin)的作用是產(chǎn)生正負脈沖寬度各為50%的交流矩形波電壓，并將其施加于變壓器(T)原邊繞組(Np)的兩端。在具體實施時，高頻交流矩形波電壓源可以由直流電壓源與全橋式、半橋式等電路拓撲構(gòu)成。附圖4(a)給出了由直流電壓源(Udc)和全橋式電路拓撲構(gòu)成的高頻交流矩形波電壓源實施例，圖中包括直流電壓源(Udc)和四個開關(guān)管(SP1、SP2、SpjPSp4)形成的全橋電路結(jié)構(gòu)。附圖4(b)給出了由直流電壓源(UD。)和半橋式電路拓撲構(gòu)成的高頻交流矩形波電壓源實施例，圖中直流電壓源(UD。)、兩個開關(guān)管(SP1、SP2)和兩個電容(CjPC2)t5[0031]本發(fā)明的目的是實現(xiàn)高效率的隔離升壓變換，為了實現(xiàn)該目的，本發(fā)明將升壓電路創(chuàng)造性的置于了隔離變換器的整流電路中，通過整流電路中的高頻電感和開關(guān)管共同實現(xiàn)升壓，并借助開關(guān)電容和多繞組變壓器結(jié)構(gòu)來提高升壓能力，這可以大幅減小變壓器繞組的匝數(shù)、減小器件應(yīng)力、提高效率。[0032]下面說明本發(fā)明開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成高增益高頻整流隔離變換器的具體工作原理。以附圖2所示開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成高增益高頻整流隔離變換器實施方式一為例，且高頻交流矩形波電壓源采用附圖4(a)所示的實施方式。附圖5給出了開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成高增益高頻整流隔離變換器的主要工作波形。[0033]h時刻之前,原邊開關(guān)管Sp2和Sp3導(dǎo)通,變壓器副邊第一開關(guān)管(S1)導(dǎo)通,全橋電路施加負電壓在變壓器(T)的原邊繞組(ΝΡ)，高頻電感(Lh)中的電流為負值，第二二極管(D2)和第三二極管(D3)導(dǎo)通，直流電壓源(Udc)經(jīng)變壓器⑴和高頻電感(Lh)和第二二極管(D2)向第一輔助電容(Cal)充電，同時直流電壓源(Udc)經(jīng)變壓器(T)、高頻電感(Lh)和第二輔助電容(Ca2)向負載提供功率A時刻，原邊開關(guān)管SpjPSp3關(guān)斷，由于高頻電感(Lh)電流不能突變，反射到變壓器⑴原邊繞組(Np)的電流流過原邊開關(guān)管Spi和Sp4的體二極管，為Spi和Sp4的零電壓開通提供條件，同時施加在變壓器(T)原邊繞組(Np)的電壓變?yōu)檎担哳l電感(Lh)的電流值開始線性減小，該模態(tài)等效電路如附圖6所示。[0034]時刻,開關(guān)管Spi和Sp4零電壓開通,該模態(tài)等效電路如附圖7所不。[0035]t2時刻，高頻電感Lh的電流減小為零，第二二極管(D2)和第三二極管(D3)零電流關(guān)斷，高頻電感(Lh)的電流流經(jīng)第一開關(guān)管(S1)和第二開關(guān)管(S2)的體二極管，其電流線性上升，該模態(tài)等效電路如附圖8所示。[0036]t3時刻，第一開關(guān)管(S1)關(guān)斷，第二開關(guān)管(S2)零電壓導(dǎo)通，同時第一二極管(D1)和第四二極管(D4)導(dǎo)通，直流電壓源(Udc)經(jīng)變壓器(T)、高頻電感(Lh)和第二一極管(D1)向第二輔助電容(Ca2)充電，第一輔助電容(Cal)則放電，并和高頻電感(Lh)—起向負載提供功率。[0037]t4時刻，下半個開關(guān)周期開始，工作過程類似，不再重復(fù)敘述。[0038]根據(jù)上述工作過程的描述可知，本發(fā)明可以實現(xiàn)所有開關(guān)管、二極管的軟開關(guān)，能夠有效改善變換效率。當直流電壓源經(jīng)變壓器和高頻電感向負載傳輸功率時，兩個變壓器繞組和輔助電容是串聯(lián)連接的，這可以有效提升輸出端的電壓，也是本發(fā)明開關(guān)電容和多繞組變壓器的意義所在。【權(quán)利要求】1.一種開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成的高增益高頻整流隔離變換器，其特征在于:所述開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成的高增益高頻整流隔離變換器由高頻交流矩形波電壓源(Uin)、變壓器(T)、高頻電感(Lh)、第一開關(guān)管(Si)、第二開關(guān)管(S2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、第一輔助電容(Cal)、第二輔助電容(Ca2)、輸出濾波電容(C。)和負載(R。)構(gòu)成，其中，變壓器⑴包括原邊繞組(NP)、第一副邊繞組(Nsi)、第二副邊繞組(Ns2)和第三副邊繞組(Ns3)；所述變壓器⑴第一副邊繞組(Nsi)的同名端連于高頻電感(Lh)的一端，高頻電感(Lh)的另一端連于第一二極管(D1)的陽極、第一開關(guān)管(S1)的漏極和第一輔助電容(Cal)的一端，第一二極管(D1)的陰極連于變壓器(T)第二副邊繞組(Ns2)的同名端，變壓器(T)第二副邊繞組(Ns2)的非同名端連于第三二極管(D3)的陽極，第三二極管(D3)的陰極連于第四二極管(D4)的陰極、輸出濾波電容(C。)的一端和負載(R。)的一端，輸出濾波電容(C。)的另一端連于負載(R。)的另一端、第一開關(guān)管(S1)的源極和第二開關(guān)管(S2)的源極，第二開關(guān)管(S2)的漏極連于變壓器⑴第一副邊繞組(Nsi)的非同名端、第二輔助電容(Ca2)的另一端和第二二極管(D2)的陽極，第二二極管(D2)的陰極連于第一輔助電容(Cal)的另一端和變壓器⑴第三副邊繞組(Ns3)的非同名端，變壓器⑴第三副邊繞組(Ns3)的同名端連于第四二極管(D4)的陽極；所述高頻交流矩形波電壓源(Uin)的一端連于變壓器(T)原邊繞組(Np)的同名端、高頻交流矩形波電壓源(Uin)的另一端連于變壓器(T)原邊繞組(Np)的非同名端。2.一種開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成的高增益高頻整流隔離變換器，其特征在于:所述開關(guān)電容和多繞組變壓器構(gòu)成的高增益高頻整流隔離變換器由高頻交流矩形波電壓源(Uin)、變壓器(T)、高頻電感(Lh)、第一開關(guān)管⑶)、第二開關(guān)管(S2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、第一輔助電容(Cal)、第二輔助電容(Ca2)、輸出濾波電容(C。)和負載(R。)構(gòu)成，其中，變壓器⑴包括原邊繞組(NP)、第一副邊繞組(Nsi)、第二副邊繞組(Ns2)和第三副邊繞組(Ns3)；所述變壓器⑴第一副邊繞組(Nsi)的同名端連于高頻電感(Lh)的一端，高頻電感(Lh)的另一端連于第一開關(guān)管(S1)的源極、第一二極管(D1)的陰極和第一輔助電容(Cal)的一端，第一開關(guān)管(S1)的漏極連于第二輔助電容(Ca2)的一端和變壓器(T)第二副邊繞組(Ns2)的同名端，變壓器(T)第二副邊繞組(Ns2)的非同名端連于第三二極管(D3)的陽極，第三二極管(D3)的陰極連于第四二極管(D4)的陰極、輸出濾波電容(C。)的一端和負載(R。)的一端，輸出濾波電容(C。)的另一端連于負載(R。)的另一端、第一二極管(D1)的陽極和第二二極管(D2)的陽極，第二二極管(D2)的陰極連于變壓器(T)第一副邊繞組(Nsi)的非同名端、第二輔助電容(Ca2)的另一端和第二開關(guān)管(S2)的源極，第二開關(guān)管(S2)的漏極連于第一輔助電容(Cal)的另一端和變壓器(T)第三副邊繞組(Ns3)的非同名端，變壓器(T)第三副邊繞組(Ns3)的同名端連于第四二極管(D4)的陽極。所述高頻交流矩形波電壓源(Uin)的一端連于變壓器(T)原邊繞組(Np)的同名端、高頻交流矩形波電壓源(Uin)的另一端連于變壓器(T)原邊繞組(Np)的非同名端?！疚臋n編號】H02M3/28GK103887977SQ201410154800【公開日】2014年6月25日申請日期:2014年4月17日優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日【發(fā)明者】吳紅飛,孫凱,邢巖申請人:南京航空航天大學