使用 Si 和 SiC 器件的电力电子教育工具箱

我们知道，技术教育不仅需要理论知识，还需要实践知识和动手经验，让学生在电路层面理解更深层次的概念。2 Labs 实际上帮助学生理解诸如电路设计概念之类的主题。用于电子教学的工具，如 Power Pole Board 3,4和 Blue Box 5，对于了解电力电子的基础知识很有用，但它们不能用于教授电子的新概念，因为它们大约有 15 年的历史。Power Pole Board 由可用于教授基础知识的模块组成，例如DC/DC 转换器，但无法在其上进行与 AC 相关的实验，3而 Blue Box 支持 AC Labs5但也是一块使用了近 20 年的电路板，因此无法在其上执行与现代电子学概念相关的实验室任务。为了教授与宽带隙器件和集成电路相关的现代技术，新的教学板的感应是必要的。

本文介绍了一种新型的教学电源板，叫做Power Box。1该板由基于硅和碳化硅的器件组成，可帮助学生了解现代半导体器件的优势并支持所有直流和交流实验室。新技术引入了诸如更小尺寸、多功能和更高准确度等功能。建议的电路板还具有不同的模块，允许创建定制电路并教导栅极电阻对开关频率的影响。1

本文将讨论 Power Box 的设计及其功能。还将展示一个原型以及电路图，以分析提议的 Power Box 的效率和性能。

蓝盒方法

Power Box 使用蓝盒方法而不是黑盒方法。在黑盒方法中，提出了一个输出，并要求学生设计一个电路来产生建议的输出。在蓝盒方法中，为学生提供转换器内部的电路而不是输出，从而为他们提供更深入的电路设计知识。6,7这不仅增加了学生的参与度，而且让他们更好地了解电力电子的基础知识以及不同组件和设备在不同条件下的行为，8这有助于学生为进入行业做好准备。

电力电子学入门实验室对宽带隙和基于 SiC 的器件知之甚少，导致缺乏关于 SiC 器件相对于普通 Si 器件的优势的知识，例如快速开关、更少的开关损耗、高效率, 和高击穿电压。

设计细节

图 1 显示了 Power Box 的原型。从图中我们可以看出，Power Box分为四个部分。第一部分是开关块，其中包含普通的 Si 器件，而第二部分包含另一个带有 SiC MOSFET 的开关块。这有助于学生并排分析两个设备的行为。学生可以使用两个独立的开关在两个模块之间切换。1还包括用于 MOSFET 开关的脉宽调制 (PWM) 电路，并且可以使用电位计调整开关频率。另一个电位器用于调整占空比。PWM 也可以由来自信号发生器的外部信号控制。在PWM之后，有一个数字逻辑电路，用于提高频率和改变占空比。电源箱由12 VDC供电和板可以处理600 VDC和10-A的电流，但在实验室，由于安全措施，电压保持在低于60 V而电流值是约2 A. 1的频率范围介于 750 Hz 和 250 Hz 之间。1

图 1：Power Box 的原型

PWM 电路
图 2 所示为 PWM 控制器的电路图。三个 5kΩ 电位器用于控制占空比。为了配置生成的 PWM 的频率，使用一个 50kΩ 电位器和一个开关来改变 CT 引脚上的电容。板载 BNC 插孔，可通过外部信号控制 PWM。逻辑 IC 也安装在 PWM 控制器上。产生的 PWM 通过这些 IC：

将单个信号分成两个信号

在两个信号之间产生 180° 的相移

添加死区时间

通过逻辑 IC 后，信号到达三路开关，可启用三种设置：

两个相同的信号

两个相位差为 180° 的信号

具有相位差和死区时间的两个信号

图2：PWM控制器电路

SiC 栅极驱动
图 3 显示了 SiC 栅极驱动的电路图。使用 SiC MOSFET 意味着复杂的栅极驱动电路，因为 SiC MOSFET 提供较小的跨导，从而导致更高的导通电压和更低的栅源电压。为 Power Box 选择的 SiC MOSFET 的 V gs(on)为 20 V，而 V gs(off)为 –5 V。为了满足此要求，选择隔离电源为电路提供更高的开启电压和更低的关闭电压。用于硅器件的传统栅极驱动器 IC 也需要改变，因为它无法支持新电源引起的电位差。栅极驱动电路中还引入了一个开关，学生可以通过电位器改变栅极电阻，以观察其对开关频率的影响。

图 3：碳化硅栅极驱动电路

缓冲电路由于 Si 和 SiC MOSFET 显示出广泛的开关行为，因此缓冲电路的设计变得更加复杂。对不同设计的缓冲电路进行了多次测试，得出的结论是，最好的缓冲电路是 RCD 缓冲器，因为它可以减少不同负载的突然电压尖峰。RCD 缓冲器的一个缺点是高功率应用的功率损耗。9由于 Power Box 是将在实验室中使用的教学板，RCD 缓冲器的缺点不会发挥作用，因为实验室是在较低电压下进行的。

属性

与 Power Pole Board 和 Blue Box 相比，提议的 Power Box 在应用方面超出了预期。它可用于所有基本应用，例如 DC/DC 转换器、AC/DC 整流器和 DC/AC 逆变器。学生可以轻松地在 Si 和 SiC 器件之间切换，并比较它们在不同应用中的切换行为。在定价方面，Power Box 处于中间位置，因为它比 Blue Box 贵，但成本低于 Power Pole Board。建议板的尺寸比 Blue Box 大 33%，因为其上添加了 Si 和 SiC 模块1，但它比 Power Pole Board 小。

结论

本文讨论了一种新型教学板“Power Box”及其与传统板相比的优势。Power Box 可用于所有基本的直流和交流实验室演示。实验室将与蓝盒相同；不同之处在于在电路板设计中使用了新技术。新技术带来了诸如更小尺寸、更低成本和更高可用性的优势。SiC 器件的使用增加了额外的优势，例如高开关速度。它还通过介绍可调栅极电阻让学生了解栅极驱动器电路。

审核编辑 黄昊宇