我們知道，技術教育不僅需要理論知識，還需要實踐知識和實踐經驗，讓學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生理解電路設計概念等主題。Power Pole Board 3,4和 Blue Box 5等用于電子學教學的工具有助于理解電力電子學的基礎知識，但它們不能用于教授電子學的新概念，因為它們已有 15 年的歷史。Power Pole Board 由可用于教授基礎知識的模塊組成，例如 DC/DC 轉換器，但無法在其上進行與 AC 相關的實驗，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，因此無法在其上執行與現代電子概念相關的實驗室任務。為了教授與寬帶隙器件和集成電路相關的現代技術，需要引入新的教學板。

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

本文將討論 Power Box 的設計及其功能。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。

藍盒方法

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

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

設計細節

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 的開關塊。這有助于學生并排分析兩個設備的行為。學生可以使用兩個獨立的開關在兩個模塊之間切換。1脈沖寬度調制 (PWM) 電路也包括用于 MOSFET 的開關，并且可以使用電位計調節開關頻率。另一個電位器用于調整占空比。PWM 也可以由來自信號發生器的外部信號控制。PWM之后還有一個數字邏輯電路，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

在兩個信號之間產生 180° 的相移

添加死區時間

信號通過邏輯 IC 后到達三通開關，可實現三種設置：

兩個相同的信號

相位差為 180° 的兩個信號

具有相位差和死區時間的兩個信號

圖 2：PWM 控制器電路

SiC 柵極驅動

圖 3 顯示了 SiC 柵極驅動的電路圖。使用 SiC MOSFET 意味著復雜的柵極驅動電路，因為 SiC MOSFET 提供的跨導較小，從而導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閉電壓。用于硅器件的傳統柵極驅動器 IC 也需要更換，因為它無法支持新電源引起的電位差。柵極驅動電路中還引入了一個開關，學生可以通過電位器改變柵極電阻，觀察其對開關頻率的影響。

圖 3：SiC 柵極驅動電路

緩沖電路

由于 Si 和 SiC MOSFET 表現出廣泛的開關行為，緩沖電路的設計變得更加復雜。對緩沖電路的不同設計進行了多次測試，得出的結論是，最好的緩沖電路是 RCD 緩沖電路，因為它可以減少不同負載的突然電壓尖峰。RCD 緩沖器的一個缺點是高功率應用的功率損耗。9由于 Power Box 是用于實驗室的教學板，因此 RCD 緩沖器的缺點不會發揮作用，因為實驗室是在較低電壓下進行的。

屬性

與電源桿板和藍盒相比，建議的電源盒在應用方面超出了預期。它可用于所有基本應用，例如 DC/DC 轉換器、AC/DC 整流器和 DC/AC 逆變器。學生可以輕松地在 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。

結論

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

審核編輯：湯梓紅