我們知道，技術教育不僅需要理論知識，還需要實踐知識和動手經驗，讓學生在電路層面理解更深層次的概念。2 Labs 實際上幫助學生理解諸如電路設計概念之類的主題。用于電子教學的工具，如 Power Pole Board 3,4和 Blue Box 5，對于了解電力電子的基礎知識很有用，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 Labs5但也是一塊使用了近 20 年的電路板，因此無法在其上執行與現代電子學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，新的教學板的感應是必要的。

本文介紹了一種新型的教學電源板，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。新技術引入了諸如更小尺寸、多功能和更高準確度等功能。建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，以分析提議的 Power Box 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。在藍盒方法中，為學生提供轉換器內部的電路而不是輸出，從而為他們提供更深入的電路設計知識。6,7這不僅增加了學生的參與度，而且讓他們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這有助于學生為進入行業做好準備。

電力電子學入門實驗室對寬帶隙和基于 SiC 的器件知之甚少，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 Si 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還包括用于 MOSFET 開關的脈寬調制 (PWM) 電路，并且可以使用電位計調整開關頻率。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。在PWM之后，有一個數字邏輯電路，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

通過邏輯 IC 后，信號到達三路開關，可啟用三種設置：

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 提供較小的跨導，從而導致更高的導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閉電壓。用于硅器件的傳統柵極驅動器 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，以觀察其對開關頻率的影響。

圖 3：碳化硅柵極驅動電路

緩沖電路由于 Si 和 SiC MOSFET 顯示出廣泛的開關行為，因此緩沖電路的設計變得更加復雜。對不同設計的緩沖電路進行了多次測試，得出的結論是，最好的緩沖電路是 RCD 緩沖器，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 是將在實驗室中使用的教學板，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 Power Pole Board 和 Blue Box 相比，提議的 Power Box 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%，因為其上添加了 Si 和 SiC 模塊1，但它比 Power Pole Board 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；不同之處在于在電路板設計中使用了新技術。新技術帶來了諸如更小尺寸、更低成本和更高可用性的優勢。SiC 器件的使用增加了額外的優勢，例如高開關速度。它還通過介紹可調柵極電阻讓學生了解柵極驅動器電路。

審核編輯 黃昊宇