使用 Si 和 SiC 器件的電力電子教育工具箱

我們知道，技術(shù)教育不僅需要理論知識，還需要實踐知識和動手經(jīng)驗，讓學(xué)生在電路層面理解更深層次的概念。2 Labs 實際上幫助學(xué)生理解諸如電路設(shè)計概念之類的主題。用于電子教學(xué)的工具，如 Power Pole Board 3,4和 Blue Box 5，對于了解電力電子的基礎(chǔ)知識很有用，但它們不能用于教授電子的新概念，因為它們大約有 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 Labs5但也是一塊使用了近 20 年的電路板，因此無法在其上執(zhí)行與現(xiàn)代電子學(xué)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)，新的教學(xué)板的感應(yīng)是必要的。

本文介紹了一種新型的教學(xué)電源板，叫做Power Box。1該板由基于硅和碳化硅的器件組成，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)引入了諸如更小尺寸、多功能和更高準(zhǔn)確度等功能。建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，以分析提議的 Power Box 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)盒方法中，為學(xué)生提供轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的電路而不是輸出，從而為他們提供更深入的電路設(shè)計知識。6,7這不僅增加了學(xué)生的參與度，而且讓他們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)生為進(jìn)入行業(yè)做好準(zhǔn)備。

電力電子學(xué)入門實驗室對寬帶隙和基于 SiC 的器件知之甚少，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 Si 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)生可以使用兩個獨立的開關(guān)在兩個模塊之間切換。1還包括用于 MOSFET 開關(guān)的脈寬調(diào)制 (PWM) 電路，并且可以使用電位計調(diào)整開關(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。在PWM之后，有一個數(shù)字邏輯電路，用于提高頻率和改變占空比。電源箱由12 VDC供電和板可以處理600 VDC和10-A的電流，但在實驗室，由于安全措施，電壓保持在低于60 V而電流值是約2 A. 1的頻率范圍介于 750 Hz 和 250 Hz 之間。1

圖 1：Power Box 的原型

PWM 電路
圖 2 所示為 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。板載 BNC 插孔，可通過外部信號控制 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

通過邏輯 IC 后，信號到達(dá)三路開關(guān)，可啟用三種設(shè)置：

兩個相同的信號

兩個相位差為 180° 的信號

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 提供較小的跨導(dǎo)，從而導(dǎo)致更高的導(dǎo)通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。為了滿足此要求，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 也需要改變，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，以觀察其對開關(guān)頻率的影響。

圖 3：碳化硅柵極驅(qū)動電路

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

屬性

與 Power Pole Board 和 Blue Box 相比，提議的 Power Box 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%，因為其上添加了 Si 和 SiC 模塊1，但它比 Power Pole Board 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；不同之處在于在電路板設(shè)計中使用了新技術(shù)。新技術(shù)帶來了諸如更小尺寸、更低成本和更高可用性的優(yōu)勢。SiC 器件的使用增加了額外的優(yōu)勢，例如高開關(guān)速度。它還通過介紹可調(diào)柵極電阻讓學(xué)生了解柵極驅(qū)動器電路。

審核編輯 黃昊宇