Power Box Board帮助学生更好地了解Si和SiC技术

我们知道，技术教育不仅需要理论知识，还需要实践知识和实践经验，让学生在电路层面理解更深层次的概念。2实验室实际上可以帮助学生理解电路设计概念等主题。Power Pole Board 3,4和 Blue Box 5等用于电子学教学的工具有助于理解电力电子学的基础知识，但它们不能用于教授电子学的新概念，因为它们已有 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 Labs 5但也是一块已有近 20 年历史的电路板，因此无法在其上执行与现代电子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，需要引入新的教学板。

本文介绍了一种名为Power Box的新型教学电源板。1该板由基于 Si 和 SiC 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。新技术引入了更小尺寸、多种功能和更高准确性等功能。提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，以分析拟议电源箱的效率和性能。

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。在蓝盒法中，不是输出，而是为学生提供转换器内部的电路进行构建，这为他们提供了更深入的电路设计知识。6,7这不仅增加了学生的参与度，而且使他们能够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这有助于学生为行业做好准备。

电力电子入门实验室提供的关于宽带隙和基于 SiC 的器件的知识很少，这导致缺乏关于 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，其中包含普通的硅器件，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脉冲宽度调制 (PWM) 电路也包括用于 MOSFET 的开关，并且可以使用电位计调节开关频率。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。PWM之后还有一个数字逻辑电路，用来提高频率和改变占空比。Power Box 由 12 VDC 供电，该板可处理 600 VDC 和 10-A 电流，但在实验室中，由于安全措施，电压保持在 60 V 以下，而电流值约为 2 A。1频率范围在 750 Hz 和 250 Hz 之间。1

图 1：电源盒原型

PWM 电路

图 2 显示了 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。板上还包含 BNC 插孔，用于通过外部信号控制 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

信号通过逻辑 IC 后到达三通开关，可实现三种设置：

两个相同的信号

相位差为 180° 的两个信号

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 提供的跨导较小，从而导致更高的开启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 也需要更换，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，观察其对开关频率的影响。

图 3：SiC 栅极驱动电路

缓冲电路

由于 Si 和 SiC MOSFET 表现出广泛的开关行为，缓冲电路的设计变得更加复杂。对缓冲电路的不同设计进行了多次测试，得出的结论是，最好的缓冲电路是 RCD 缓冲电路，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 是用于实验室的教学板，因此 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

与电源杆板和蓝盒相比，建议的电源盒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%，因为上面添加了 Si 和 SiC 模块，1但它比 Power Pole 板小。

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;不同之处在于电路板设计中使用了新技术。新技术带来了体积更小、成本更低、可用性更高等优势。使用 SiC 器件增加了额外的优势，例如高开关速度。它还通过介绍可调栅极电阻器让学生了解栅极驱动器电路。

审核编辑：汤梓红