我們知道，技術(shù)教育不僅需要理論知識，還需要實踐知識和實踐經(jīng)驗，讓學(xué)生在電路層面理解更深層次的概念。2實驗室實際上可以幫助學(xué)生理解電路設(shè)計概念等主題。Power Pole Board 3,4和 Blue Box 5等用于電子學(xué)教學(xué)的工具有助于理解電力電子學(xué)的基礎(chǔ)知識，但它們不能用于教授電子學(xué)的新概念，因為它們已有 15 年的歷史。Power Pole Board 由可用于教授基礎(chǔ)知識的模塊組成，例如 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，但無法在其上進(jìn)行與 AC 相關(guān)的實驗，3而 Blue Box 支持 AC Labs 5但也是一塊已有近 20 年歷史的電路板，因此無法在其上執(zhí)行與現(xiàn)代電子概念相關(guān)的實驗室任務(wù)。為了教授與寬帶隙器件和集成電路相關(guān)的現(xiàn)代技術(shù)，需要引入新的教學(xué)板。

本文介紹了一種名為Power Box的新型教學(xué)電源板。1該板由基于 Si 和 SiC 的器件組成，可幫助學(xué)生了解現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢，并支持所有直流和交流實驗室。新技術(shù)引入了更小尺寸、多種功能和更高準(zhǔn)確性等功能。提議的電路板還具有不同的模塊，允許創(chuàng)建定制電路并教導(dǎo)柵極電阻對開關(guān)頻率的影響。1

本文將討論 Power Box 的設(shè)計及其功能。還將展示一個原型以及電路圖，以分析擬議電源箱的效率和性能。

藍(lán)盒方法

Power Box 使用藍(lán)盒方法而不是黑盒方法。在黑盒方法中，提出了一個輸出，并要求學(xué)生設(shè)計一個電路來產(chǎn)生建議的輸出。在藍(lán)盒法中，不是輸出，而是為學(xué)生提供轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的電路進(jìn)行構(gòu)建，這為他們提供了更深入的電路設(shè)計知識。6,7這不僅增加了學(xué)生的參與度，而且使他們能夠更好地了解電力電子的基礎(chǔ)知識以及不同組件和設(shè)備在不同條件下的行為，8這有助于學(xué)生為行業(yè)做好準(zhǔn)備。

電力電子入門實驗室提供的關(guān)于寬帶隙和基于 SiC 的器件的知識很少，這導(dǎo)致缺乏關(guān)于 SiC 器件相對于普通 Si 器件的優(yōu)勢的知識，例如快速開關(guān)、更少的開關(guān)損耗、高效率, 和高擊穿電壓。

設(shè)計細(xì)節(jié)

圖 1 顯示了 Power Box 的原型。從圖中我們可以看出，Power Box分為四個部分。第一部分是開關(guān)塊，其中包含普通的硅器件，而第二部分包含另一個帶有 SiC MOSFET 的開關(guān)塊。這有助于學(xué)生并排分析兩個設(shè)備的行為。學(xué)生可以使用兩個獨(dú)立的開關(guān)在兩個模塊之間切換。1脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 電路也包括用于 MOSFET 的開關(guān)，并且可以使用電位計調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。另一個電位器用于調(diào)整占空比。PWM 也可以由來自信號發(fā)生器的外部信號控制。PWM之后還有一個數(shù)字邏輯電路，用來提高頻率和改變占空比。Power Box 由 12 VDC 供電，該板可處理 600 VDC 和 10-A 電流，但在實驗室中，由于安全措施，電壓保持在 60 V 以下，而電流值約為 2 A。1頻率范圍在 750 Hz 和 250 Hz 之間。1

圖 1：電源盒原型

PWM 電路

圖 2 顯示了 PWM 控制器的電路圖。三個 5kΩ 電位器用于控制占空比。為了配置生成的 PWM 的頻率，使用一個 50kΩ 電位器和一個開關(guān)來改變 CT 引腳上的電容。板上還包含 BNC 插孔，用于通過外部信號控制 PWM。邏輯 IC 也安裝在 PWM 控制器上。產(chǎn)生的 PWM 通過這些 IC：

將單個信號分成兩個信號

在兩個信號之間產(chǎn)生 180° 的相移

添加死區(qū)時間

信號通過邏輯 IC 后到達(dá)三通開關(guān)，可實現(xiàn)三種設(shè)置：

兩個相同的信號

相位差為 180° 的兩個信號

具有相位差和死區(qū)時間的兩個信號

圖 2：PWM 控制器電路

SiC 柵極驅(qū)動

圖 3 顯示了 SiC 柵極驅(qū)動的電路圖。使用 SiC MOSFET 意味著復(fù)雜的柵極驅(qū)動電路，因為 SiC MOSFET 提供的跨導(dǎo)較小，從而導(dǎo)致更高的開啟電壓和更低的柵源電壓。為 Power Box 選擇的 SiC MOSFET 的 V gs(on)為 20 V，而 V gs(off)為 –5 V。為滿足此要求，選擇隔離電源為電路提供更高的開啟電壓和更低的關(guān)閉電壓。用于硅器件的傳統(tǒng)柵極驅(qū)動器 IC 也需要更換，因為它無法支持新電源引起的電位差。柵極驅(qū)動電路中還引入了一個開關(guān)，學(xué)生可以通過電位器改變柵極電阻，觀察其對開關(guān)頻率的影響。

圖 3：SiC 柵極驅(qū)動電路

緩沖電路

由于 Si 和 SiC MOSFET 表現(xiàn)出廣泛的開關(guān)行為，緩沖電路的設(shè)計變得更加復(fù)雜。對緩沖電路的不同設(shè)計進(jìn)行了多次測試，得出的結(jié)論是，最好的緩沖電路是 RCD 緩沖電路，因為它可以減少不同負(fù)載的突然電壓尖峰。RCD 緩沖器的一個缺點(diǎn)是高功率應(yīng)用的功率損耗。9由于 Power Box 是用于實驗室的教學(xué)板，因此 RCD 緩沖器的缺點(diǎn)不會發(fā)揮作用，因為實驗室是在較低電壓下進(jìn)行的。

屬性

與電源桿板和藍(lán)盒相比，建議的電源盒在應(yīng)用方面超出了預(yù)期。它可用于所有基本應(yīng)用，例如 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、AC/DC 整流器和 DC/AC 逆變器。學(xué)生可以輕松地在 Si 和 SiC 器件之間切換，并比較它們在不同應(yīng)用中的切換行為。在定價方面，Power Box 處于中間位置，因為它比 Blue Box 貴，但成本低于 Power Pole Board。建議板的尺寸比 Blue Box 大 33%，因為上面添加了 Si 和 SiC 模塊，1但它比 Power Pole 板小。

結(jié)論

本文討論了一種新型教學(xué)板“Power Box”及其與傳統(tǒng)板相比的優(yōu)勢。Power Box 可用于所有基本的直流和交流實驗室演示。實驗室將與藍(lán)盒相同;不同之處在于電路板設(shè)計中使用了新技術(shù)。新技術(shù)帶來了體積更小、成本更低、可用性更高等優(yōu)勢。使用 SiC 器件增加了額外的優(yōu)勢，例如高開關(guān)速度。它還通過介紹可調(diào)柵極電阻器讓學(xué)生了解柵極驅(qū)動器電路。

審核編輯：湯梓紅