CN109979291B - 一种电力电子电路的通用实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种电力电子电路的通用实验装置，包括开环控制器，开环控制器中设置有人机交互模块和驱动模块，人机交互模块连接驱动模块，驱动模块设置有四个输出连接口，每个输出连接口连接半桥母板的BNC接口和H桥母板的BNC接口，半桥子板分别插接半桥母板和H桥母板上，连接适量的电容、电感分别构建驱动半桥电路拓扑、全桥电路拓扑和DAB电路拓扑；本发明还公开了该实验装置的实验方法用于构建半桥电路拓扑、全桥电路拓扑和DAB电路拓扑，本发明公开的装置解决了现有电路实验通常需要反复搭建电路，造成元器件耗费大以及耗时耗力的问题，有效地提高了母板的利用率，整套装置使用方便。

Description

一种电力电子电路的通用实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种电力电子电路的通用实验装置，还涉及该实验装置的实验方法。

背景技术

电力电子技术的应用越来越广泛，可以用于诸如电能质量控制、新能源发电并网，特种电源，无线充电等涉及电能变换和传播的领域。无论是理论研究还是产品的研发，都需要基于实际的电力电子电路进行。

电力电子电路的搭建过程比较繁琐，并且电路搭建完成后其中的元器件难以再次利用。对于电力电子领域的教学，电力电子产品的研发等需要快速、反复搭建不同电路的场合，调试电路的搭建过程会消耗大量的人力成本、时间成本和资金成本。同时，由于操作人员经验不足等因素导致的接线错误可能引起人员触电、实验器材烧毁的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力电子电路的通用实验装置，解决了现有电路实验通常需要反复搭建电路，造成元器件耗费大以及耗时耗力的问题。

本发明的另一目的是提供一种电力电子电路的通用实验装置的实验方法。

本发明所采用的技术方案是，一种电力电子电路的通用实验装置，用于构建半桥电路拓扑、全桥电路拓扑和DAB电路拓扑，包括开环控制器，开环控制器中设置有人机交互模块和驱动模块，人机交互模块包括设置在开环控制器操作面的半桥电路按钮、全桥电路按钮和DAB电路按钮，人机交互模块连接驱动模块，驱动模块设置有四个输出连接口，每个输出连接口分别用于驱动半桥电路拓扑、全桥电路拓扑和DAB电路拓扑；半桥电路拓扑由一块半桥子板插接在一块半桥母板上，连接电容组成；全桥电路拓扑由两块半桥子板插接在H桥母板上，连接电容、电感组成；DAB电路拓扑由四块半桥子板插接在两块H桥母板上，连接电容、电感组成；半桥母板的BNC 接口和H桥母板的BNC接口直接连接驱动模块的输出连接口；每块半桥子板均包括第一氮化镓MOS管、第二氮化镓MOS管和驱动控制电路。

本发明的其他特点还在于，

每块半桥子板上均开有控制及供电接口和功率接口，控制及供电接口部分包括PWM_L引脚，PWM_H引脚，ENABLE引脚，+5V引脚，GND引脚共6个引脚。

每个半桥母板采用12V直流供电，半桥母板上设置有端口CON-II、端口CON-III、端口CON-IV、端口CON-V、端口CON-VI、端口CON-VII和端口VSW，端口VSW和端口CON-V之间通过香蕉头端子连接所需的电感或电容，端口CON-II和端口CON-VI之间连接直流电源，端口CON-IV和端口CON-VII之间通过香蕉头端子连接负载；半桥母板上还设置有PWM控制及供电接口部分，PWM控制及供电接口部分包括一个用于接收开环控制器的PWM信号的BNC接口、一个外部PWM信号输入接口、第一氮化镓 MOS管PWM信号跳线选择端子、第二氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子；半桥母板上有对应每块半桥子板的控制及供电接口和功率接口引脚的引脚插孔。

每块H型母板采用12V直流供电，H型母板上设置有端口CON-I、端口CON-II、端口CON-III、端口CON-IV和变压器，端口CON-I和端口CON-II 之间根据需要连接直流电感、电容和变压器的原边，变压器的副边连接负载，端口CON-III和端口CON-IV之间连接直流电源；H桥母板上还设置有PWM 控制及供电接口部分，包括用于接收开环控制器的PWM信号的两个BNC 接口，分别为A相PWM信号输入接口和B相PWM信号输入接口、一个外部PWM信号输入接口，H桥有两个桥臂，两个桥臂各有一组PWM信号跳线选择端子，A相第一氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子，A相第二氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子，B相第一氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子，B相第二氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子；H桥母板上有两组对应每块半桥子板9个引脚的引脚插孔。

人机交互模块还包括对应半桥电路、全桥电路和DAB电路的参数设置界面，参数设置界面包括频率、占空比的设置，还包括“启动”按钮、“停止”按钮和“返回”按钮。

本发明的另一技术方案是，一种电力电子电路的通用实验装置的实验方法，基于一种电力电子电路的通用实验装置，进行半桥电路拓扑实验时，实验方法如下：

步骤1，在开环控制器的操作界面选择半桥电路按钮，进入参数设置界面，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比；

步骤2，将一个半桥母板的BNC接口连接在开环控制器驱动模块的一个输出连接口上，半桥子板插接在半桥母板上，端口CON-V和端口CON-VII 之间通过香蕉头端子连接电容，端口CON-IV和端口CON-V之间导线连接，半桥子板的第一氮化镓MOS的一端和第二氮化镓MOS管的一端之间并联电容，第一氮化镓MOS管的一端连接在半桥母板的端口CON-II上，第一氮化镓MOS管的另一端连接第二氮化镓MOS管的另一端并同时连接在半桥母板的端口VSW上，第二氮化镓MOS管的一端连接在半桥母板的端口 CON-VI上；第一氮化镓MOS管的栅极和第二氮化镓MOS管的栅极和栅极驱动芯片相连，引出PWM_H引脚、PWM_L引脚和ENABLE引脚插接在半桥母板的引脚插座上，受到半桥母板PWM控制及供电接口部分的控制，根据需要选择内部或外部方式；

步骤3，通过人机交互交互界面上的“启动”按钮，进行半桥电路拓扑实验，“停止”按钮停止实验，完成实验后，通过“返回”按钮回到初始界面。

进行全桥电路实验时，实验方法如下：

步骤1，在开环控制器的操作界面选择全桥电路按钮，进入参数设置界面，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比；

步骤2，将H桥母板的两个BNC接口分别连接在开环控制器驱动模块的两个输出连接口上，将两块半桥子板插接在H桥母板上，其中一块半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在H 桥母板的端口CON-II上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS 管的另一端并联电容分别安装在H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV上；另一块半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在H桥母板的端口CON-I上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS管的另一端安装在H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV 上，端口CON-I与变压器原边之间根据测试需要通过香蕉头端子依次串联适量的电感和电容；每块半桥子板第一氮化镓MOS管的栅极和第二氮化镓MOS管的栅极和栅极驱动芯片相连，引出PWM_H引脚、PWM_L引脚和 ENABLE引脚，各自插接在H桥母版的引脚插座上，受到H桥母板PWM 控制及供电接口部分的控制，根据需要选择内部方式，由A相PWM信号跳线选择端子和B相PWM信号跳线选择端子控制，选择外部方式，由外部 PWM信号输入接口控制；

步骤3，通过人机交互交互界面上的“启动”按钮，进行全桥电路拓扑实验，“停止”按钮停止实验，完成实验后，通过“返回”按钮回到初始界面。

进行DAB电路实验时，实验方法如下：

步骤1，在开环控制器的操作界面选择DAB电路按钮，进入参数设置界面，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比；

步骤2，将两块H桥母板的四个BNC接口分别连接在开环控制器驱动模块的四个输出连接口上，将四块半桥子板分别插接在两块H桥母板上，其中第一块半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在一个的H桥母板的端口CON-II上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS管的另一端并联电容分别安装在H桥母板的端口 CON-III和端口CON-IV上；第二块半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在一块H桥母板的端口CON-Ⅰ上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS管的另一端安装在H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV上；另一个H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV之间连接负载，两个H桥母板的端口CON-I和端口CON-II之间连接电感和变压器，第三块半桥子板和第四块半桥子板的连接方式与第一块半桥子板和第二块半桥子板的连接方式相同；第一块H桥母板上的两块半桥子板第一氮化镓MOS管的栅极和第二氮化镓MOS管的栅极和栅极驱动芯片相连，引出PWM_H引脚、PWM_L引脚和ENABLE引脚各自插接在H 桥母板的引脚插座上，受到H桥母板PWM控制及供电接口部分的控制，根据需要选择内部方式，由A相PWM信号跳线选择端子和B相PWM信号跳线选择端子控制，选择外部方式，由外部PWM信号输入接口控制；第二块 H桥母板的插接方式与第一块H桥母板的连接方式相同；

步骤3，通过人机交互交互界面上的“启动”按钮，进行DAB电路拓扑实验，“停止”按钮停止实验，完成实验后，通过“返回”按钮回到初始界面。

半桥电路模式下，开环控制器的驱动模块输出一路频率可调、正脉冲宽度可调的方波信号；全桥电路模式下，开环控制器的驱动模块输出两路频率可调、移相角可调的方波信号；DAB电路模式下，开环控制器输出四路频率可调，移相角可调的方波信号。

本发明的有益效果是，一种电力电子电路的通用实验装置及实验方法，通过分别半桥子板、半桥母板和H桥母板，在进行不同电路实验的时候，只需要将半桥子板插接在各母板上预留好的接口中，极大地节省了安装时间，提高了实验效率。同时，本申请设计的母板结构可以构建不同的电力电子电路，只需要更换连接在接口上的子板，设计的开环控制***具有人机显示模块和驱动模块，有效地提高了母板的利用率，大幅度节省实验花销，整套装置使用方便，在教学、实验和产品的研发中具有很好的使用价值。

附图说明

图1是本发明的一种电力电子电路的通用实验装置的开环控制器的工作界面示意图；

图2是本发明的一种电力电子电路的通用实验装置开环控制器的半桥电路模式参数设置界面示意图；

图3是本发明的一种电力电子电路的通用实验装置的半桥子板结构示意图；

图4是本发明的一种电力电子电路的通用实验装置的实现的BUCK测试电路的电路图；

图5是本发明的一种电力电子电路的通用实验装置的实现的全桥LLC 测试电路的电路图；

图6是本发明的一种电力电子电路的通用实验装置的实现的移相全桥测试电路的电路图；

图7是本发明的一种电力电子电路的通用实验装置的实现的全桥逆变测试电路的电路图；

图8是本发明的一种电力电子电路的通用实验装置的实现的DAB测试电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种电力电子电路的通用实验装置，用于构建半桥电路拓扑、全桥电路拓扑和DAB电路拓扑，包括开环控制器，如图1所示，开环控制器中设置有人机交互模块和驱动模块，人机交互模块包括设置在开环控制器操作界面的半桥电路按钮、全桥电路按钮和DAB电路按钮，人机交互模块连接驱动模块，驱动模块设置有四个输出连接口，每个输出连接口分别用于驱动半桥电路拓扑、全桥电路拓扑和DAB电路拓扑；半桥电路拓扑由一块半桥子板插接在一块半桥母板上，连接电容、电感组成；全桥电路拓扑由两块半桥子板插接在H桥母板上，连接电容、电感组成；DAB电路拓扑由四块半桥子板插接在两块H桥母板上，连接电容、电感组成；半桥母板的BNC 接口和H桥母板的BNC接口直接连接驱动模块的输出连接口。

如图2所示，人机交互模块还包括对应半桥电路、全桥电路和DAB电路的参数设置界面，参数设置界面包括频率、占空比的设置，还包括“启动”按钮、“停止”按钮和“返回”按钮。

如图3所示，每块半桥子板均包括第一氮化镓MOS管、第二氮化镓 MOS管和驱动控制电路，驱动控制电路包括隔离的驱动电路模块，栅极驱动芯片和散热器。每块半桥子板上均开有控制及供电接口和功率接口，控制及供电接口部分包括PWM_L引脚，PWM_H引脚，ENABLE引脚，+5V引脚，GND引脚共6个引脚；功率接口部分包括VSW引脚，VDC-引脚，VDC+ 引脚共3个引脚；PWM_H引脚和PWM_L引脚分别由半桥子板的第一氮化镓MOS管的栅极驱动和第二氮化镓MOS管的栅极驱动引出；ENABLE引脚为使能端，默认为内部方式上拉使能，外部方式低电平封锁栅极输出，由半桥子板第一氮化镓MOS管的栅极驱动和第二氮化镓MOS管的栅极驱动引出；+5V引脚用于向隔离电源模块和栅极驱动芯片供电，由半桥子板第一氮化镓MOS管的驱动电源模块和第二氮化镓MOS管的驱动电源模块引出； GND引脚为控制和供电的地；VDC-引脚为直流母线的接地端，由第二氮化镓MOS管的源极引出；VDC+引脚为直流母线的正电压端，由第一氮化镓 MOS管的漏极引出；VSW引脚为开关输出端，第一氮化镓MOS管的源极和第二氮化镓MOS管的漏极引出。

每块半桥母板采用12V直流供电，半桥母板上设置有端口CON-II、端口CON-III、端口CON-IV、端口CON-V、端口CON-VI、端口CON-VII和端口VSW，端口VSW和端口CON-V之间根据要求通过香蕉头端子连接电感或者电容，端口CON-II和端口CON-VI之间连接直流电源，端口CON-IV 和端口CON-VII之间通过香蕉头端子连接负载，半桥母板上还设置有PWM 控制及供电接口部分，包括一个内部PWM信号的BNC接口，即用于接收开环控制器的PWM信号，一个外部PWM信号输入接口，第一氮化镓MOS 管PWM信号跳线选择端子，第二氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子。半桥母板上有对应每块半桥子板9个引脚的引脚插孔，半桥母板传递到半桥子板的第一氮化镓MOS管和第二氮化镓MOS管的门极控制信号有两种方式，内部方式和外部方式，由两个跳线端子独立控制，选择内部方式时，由开环控制器传给内部PWM信号输入接口门极控制信号，选择外部方式时，由外部PWM信号输入接口输入门极控制信号，其中，开环控制器传给半桥母板内部PWM信号输入接口的门极控制信号是没有死区的，经过半桥母板内部数字电路生成之后产生死区，死区时间可以根据需要进行调节，默认死区时间是100ns。

每块H桥母板采用12V直流供电，H桥母板上设置有端口CON-I、端口CON-II、端口CON-III、端口CON-IV和变压器，端口CON-I和端口CON-II 之间根据需要连接直流电感、电容或变压器的原边，变压器的副边连接负载，端口CON-III和端口CON-IV之间连接直流电源；H桥母板上还设置有PWM 控制及供电接口部分，包括用于接收开环控制器的PWM信号的两个BNC 接口(A相PWM信号输入接口，B相PWM信号输入接口)，一个外部PWM 信号输入接口，H桥有两个桥臂，两相桥臂各有一组PWM信号跳线选择端子，A相第一氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子，A相第二氮化镓MOS 管PWM信号跳线选择端子，B相第一氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子，B相第二氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子。H桥母板上有两组对应每块半桥子板9个引脚的引脚插孔，H桥母板传递到每一相桥臂半桥子板的第一氮化镓MOS管和第二氮化镓MOS管的门极控制信号有两种方式，分别是内部方式和外部方式，利用两个跳线端子独立控制，选择内部方式时，由开环控制器传给内部PWM信号输入接口两路门极控制信号，同一桥臂的第一氮化镓MOS管和第二氮化镓MOS管的门极控制信号互补；选择外部方式时，由外部PWM信号输入接口输入门极控制信号，同一桥臂第一氮化镓MOS管和第二氮化镓MOS管的门极控制信号相互独立，其中，开环控制器传给内部PWM信号输入接口的门极控制信号是没有死区的，经过H桥母板内部数字电路生成之后产生死区，死区时间可以根据需要进行调节，默认死区时间是100ns。

半桥电路模式下，开环控制器的驱动模块输出一路频率可调、正脉冲宽度可调的方波信号；全桥电路模式下，开环控制器的驱动模块输出两路频率可调、移相角可调的方波信号；DAB电路模式下，开环控制器输出四路频率可调，移相角可调的方波信号。

本发明的一种电力电子电路的通用实验装置，在半桥电路模式下，开环控制器只有第一输出端口输出PWM信号，其他三个输出端口均输出低电平，第一个输出端口输出的门极信号频率可调，范围为1kHz～999kHz，占空比可调，范围为10％～90％，第一个输出端口连接半桥母板的BNC接口；在全桥电路模式下，第一输出端口和第三输出端口输出PWM信号，第二输出端口和第四输出端口输出低电平，第一输出端口输出的门极信号频率可调，范围为1kHz～999kHz，占空比为50％；第三输出端口输出的门极信号频率和第一输出端口输出的门极信号频率相同，占空比为50％；第一输出端口输出的门极信号和第三输出端口输出的门极信号的相位角可调，用于实现移相控制，第一输出端口和第三输出端口连接H桥母板的两个BNC接口；在DAB 电路模式下，四个输出端口均有输出，第一输出端口输出的门极信号频率可调，范围为1kHz～999kHz，占空比为50％；第二输出端口输出的门极信号频率和第一输出端口输出的门极信号频率相同，占空比为50％，相位滞后第一输出端口输出门极信号180°，第三输出端口输出的门极信号频率和第一输出端口输出的门极信号频率相同，占空比为50％，第三输出端口输出的门极信号和第一输出端口输出的门极信号的相位角可调，用于实现移相控制，第四输出端口输出的门极信号频率和第三输出端口输出的门极信号频率相同，占空比为50％，相位滞后第一输出端口输出门极信号180°，第一输出端口和第二输出端口连接第一个H桥母板的两个BNC接口；第三输出端口和第四输出端口输出连接第二个H桥母板的两个BNC接口；参数设置完毕后可以根据需要选择“启动”，“停止”或者“返回”返回工作模式选择界面重新选择。

本发明的一种电力电子电路的通用实验装置的实验方法，进行半桥电路拓扑实验时，实验方法如下：

步骤1，在开环控制器的操作界面选择半桥电路按钮，进入参数设置界面，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比；

步骤2，将一个半桥母板的BNC接口连接在开环控制器驱动模块的一个输出连接口上，半桥子板插接在半桥母板上，端口CON-V和端口CON-VII 之间通过香蕉头端子连接电容，端口CON-IV和端口CON-V之间导线连接，半桥子板的第一氮化镓MOS的一端和第二氮化镓MOS管的一端之间并联电容，第一氮化镓MOS管的一端连接在半桥母板的端口CON-II上，第一氮化镓MOS管的另一端连接第二氮化镓MOS管的另一端并同时连接在半桥母板的端口VSW上，第二氮化镓MOS管的一端连接在半桥母板的端口 CON-VI上；第一氮化镓MOS管的栅极和第二氮化镓MOS管的栅极和栅极驱动芯片相连，引出PWM_H引脚、PWM_L引脚和ENABLE引脚插接在半桥母板的引脚插座上，受到半桥母板PWM控制及供电接口部分的控制，根据需要选择内部或外部方式；

步骤3，通过人机交互交互界面上的“启动”按钮，进行半桥电路拓扑实验，“停止”按钮停止实验，完成实验后，通过“返回”按钮回到初始界面。

进行全桥电路实验时，实验方法如下：

步骤1，在开环控制器的操作界面选择全桥电路按钮，进入参数设置界面，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比；

步骤2，将H桥母板的两个BNC接口分别连接在开环控制器驱动模块的两个输出连接口上，将两块半桥子板插接在H桥母板上，其中一块半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在H 桥母板的端口CON-II上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS 管的另一端并联电容分别安装在H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV上；另一块半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在H桥母板的端口CON-I上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS管的另一端安装在H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV 上，端口CON-I与变压器原边之间根据测试需要通过香蕉头端子依次串联适量的电感和电容；每块半桥子板第一氮化镓MOS管的栅极和第二氮化镓 MOS管的栅极和栅极驱动芯片相连，引出PWM_H引脚、PWM_L引脚和ENABLE引脚，各自插接在H桥母版的引脚插座上，受到H桥母板PWM 控制及供电接口部分的控制，根据需要选择内部方式，由A相PWM信号跳线选择端子和B相PWM信号跳线选择端子，选择外部方式，由外部PWM 信号输入接口控制；

步骤3，通过人机交互交互界面上的“启动”按钮，进行全桥电路拓扑实验，“停止”按钮停止实验，完成实验后，通过“返回”按钮回到初始界面。

进行DAB电路实验时，实验方法如下：

步骤1，在开环控制器的操作界面选择DAB电路按钮，进入参数设置界面，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比；

步骤2，将两块H桥母板的四个BNC接口分别连接在开环控制器驱动模块的四个输出连接口上，将四块半桥子板分别插接在两块H桥母板上，其中第一块半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在一个的H桥母板的端口CON-II上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS管的另一端并联电容分别安装在H桥母板的端口 CON-III和端口CON-IV上；第二块半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在一块H桥母板的端口CON-Ⅰ上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS管的另一端安装在H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV上；另一个H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV之间连接负载，两个H桥母板的端口CON-I和端口CON-II之间连接电感和变压器，第三块半桥子板和第四块半桥子板的连接方式与第一块半桥子板和第二块半桥子板的连接方式相同；第一块H桥母板上的两块半桥子板第一氮化镓MOS管的栅极和第二氮化镓MOS管的栅极和栅极驱动芯片相连，引出PWM_H引脚、PWM_L引脚和ENABLE引脚各自插接在H 桥母板的引脚插座上，受到H桥母板PWM控制及供电接口部分的控制，根据需要选择内部方式，由A相PWM信号跳线选择端子和B相PWM信号跳线选择端子，选择外部方式，由外部PWM信号输入接口控制；第二块H桥母板的插接方式与第一块H桥母板的连接方式相同；

步骤3，通过人机交互交互界面上的“启动”按钮，进行DAB电路拓扑实验，“停止”按钮停止实验，完成实验后，通过“返回”按钮回到初始界面。

实施例1

实现BUCK斩波电路，如图4所示，一块半桥子板配合在一块半桥母板搭建电路，开环控制器设置为半桥电路工作模式，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比，开环控制器的第一输出端口连接半桥母板的BNC接口，端口CON-II连接直流电源正极，端口CON-VI连接直流电源负极，端口VSW 和端口CON-V之间连接电感，端口CON-IV和端口CON-VII之间连接负载，将半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端连接在端口CON-II上，第二氮化镓 MOS管的一端连接在端口CON-VI上，并且在两端之间并联电容，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS管的另一端连接，并连接在端口 VSW上；该电路可以只做BUCK电路，也可以端口CON-IV连接直流电源正极，CON-VII连接直流电源负极，负载连接在输入端口CON-II和端口CON-VI之间，改电路为BOOST模式；

实施例2

实现全桥LLC测试电路，如图5所示，两块半桥子板配合一块H桥母板上搭建电路，开环控制器选择全桥电路工作模式，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比，开环控制器的第一个输出端和第三输出端口连接H桥母板的两个BNC接口，端口CON-III连接电源正极，端口CON-IV连接电源负极，端口CON-I和端口CON-II之间连接电感，电容，变压器的原边，变压器的副边连接负载，一个半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端连接端口CON-III上，另一端连接第二氮化镓MOS管的一端并连接在端口CON-II 上，第二氮化镓MOS管的另一端连接在端口CON-IV上，另一个半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端连接端口CON-III，另一端连接第二氮化镓MOS 管的一端并连接在端口CON-I上，第二氮化镓MOS管的另一端连接端口 CON-IV上。

实施例3

实现移相全桥测试电路，如图6所示，开环控制器选择全桥电路工作模式，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比，开环控制器的第一输出端口和第三输出端口连接H桥母板的两个BNC接口，端口CON-III连接电源正极，端口CON-IV连接电源负极，端口CON-I和端口CON-II之间连接电感，变压器的原边，变压器的副边连接负载，一个半桥子板的第一氮化镓 MOS管的一端连接端口CON-III上，另一端连接第二氮化镓MOS管的一端并连接在端口CON-II上，第二氮化镓MOS管的另一端连接在端口CON-IV 上，另一个半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端连接端口CON-III，另一端连接第二氮化镓MOS管的一端并连接在端口CON-I上，第二氮化镓MOS 管的另一端连接端口CON-IV上。

实施例4

实现全桥逆变测试电路，如图7所示，开环控制器选择全桥电路工作模式，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比，开环控制器的第一输出端口和第三输出端口连接H桥母板的两个BNC接口，端口CON-III连接电源正极，端口CON4连接电源负极，端口CON-I和端口CON-II之间连接电感，电容和负载，一个半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端连接端口CON-III 上，另一端连接第二氮化镓MOS管的一端并连接在端口CON-II上，第二氮化镓MOS管的另一端连接在端口CON-IV上，另一个半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端连接端口CON-III，另一端连接第二氮化镓MOS管的一端并连接在端口CON-I上，第二氮化镓MOS管的另一端连接端口CON-IV上。

实施例5

实现DAB测试电路，四块半桥子板配合两块H桥母板搭建电路，作为双有源全桥双向DC/DC变换器，如图8所示，其中中一个半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在一个的H 桥母板的端口CON-II上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS 管的另一端并联电容分别安装在H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV上；另一个半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在一个H桥母板的端口CON1上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS管的另一端安装在H桥母板的端口CON-III和端口 CON-IV上；另一个H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV之间连接负载，两个H桥母板的端口CON-I和端口CON-II之间连接电感和变压器，另外两块半桥子板的连接方式和与上述相同。

本发明的一种电力电子电路的通用实验装置，半桥子板采用氮化镓的 MOSFET作为功率器件，氮化镓MOSFET比同等级的硅MOSFET开关损耗小，功率密度更高，所需要的印刷电路板面积要少；半桥子板直接插接在半桥母板和H桥母板上。母板上的电容、电感、变压器之间通过香蕉头端子连接，母板和开环控制器之间通过BNC线路进行连接，大幅度节省实验的人力成本；利用半桥子板和不同的母板，再配以必须的电容、电感、变压器，可以搭建出常见的电路电子电路拓扑，并且模块还可以实现重复利用，大幅度节省实验的资金成本；开环控制器采用触摸屏界面进行操作，可以设置门极控制信号的频率，占空比，移相角，实现对上述搭建的电力电子电路进行开环控制；整套装置使用方便，极大地节省了电力电子领域的教学、实验和产品研发中搭建电路时的人力成本，时间成本和资金成本。

Claims (5)

1.一种电力电子电路的通用实验装置，其特征在于，用于构建半桥电路拓扑、全桥电路拓扑和DAB电路拓扑，包括开环控制器，所述开环控制器中设置有人机交互模块和驱动模块，所述人机交互模块包括设置在开环控制器操作界 面的半桥电路按钮、全桥电路按钮和DAB电路按钮，所述人机交互模块连接驱动模块，所述驱动模块设置有四个输出连接口，每个所述输出连接口分别用于驱动所述半桥电路拓扑、全桥电路拓扑和DAB电路拓扑；所述半桥电路拓扑由一块半桥子板插接在一块半桥母板上，连接电容、电感组成；所述全桥电路拓扑由两块半桥子板插接在H桥母板上，连接电容、电感组成；所述DAB电路拓扑由四块半桥子板插接在两块H桥母板上，连接电容、电感组成；所述半桥母板的BNC接口和所述H桥母板的BNC接口直接连接所述驱动模块的输出连接口；每块所述半桥子板均包括第一氮化镓MOS管、第二氮化镓MOS管和驱动控制电路；

每块所述半桥子板上均开有控制及供电接口和功率接口，所述控制及供电接口部分包括PWM_L引脚，PWM_H引脚，ENABLE引脚，+5V引脚，GND引脚共6个引脚；

每个所述半桥母板采用12V直流供电，所述半桥母板上设置有端口CON-II、端口CON-III、端口CON-IV、端口CON-V、端口CON-VI、端口CON-VII和端口VSW，所述端口VSW和端口CON-V之间通过香蕉头端子连接所需的电感或电容，所述端口CON-II和所述端口CON-VI之间连接直流电源，所述端口CON-IV和端口CON-VII之间通过香蕉头端子连接负载；半桥母板上还设置有PWM控制及供电接口部分，所述PWM控制及供电接口部分包括一个用于接收开环控制器的PWM信号的BNC接口、一个外部PWM信号输入接口、第一氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子、第二氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子；半桥母板上有对应每块半桥子板的控制及供电接口和功率接口引脚的引脚插孔；

每块所述H桥母板采用12V直流供电，所述H桥母板上设置有端口CON-I、端口CON-II、端口CON-III、端口CON-IV和变压器，所述端口CON-I和端口CON-II之间根据需要连接直流电感、电容和变压器的原边，所述变压器的副边连接负载，所述端口CON-III和端口CON-IV之间连接直流电源；所述H桥母板上还设置有PWM控制及供电接口部分，包括用于接收开环控制器的PWM信号的两个BNC接口，分别为A相PWM信号输入接口和B相PWM信号输入接口、一个外部PWM信号输入接口，H桥有两个桥臂，两个桥臂各有一组PWM信号跳线选择端子，A相第一氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子，A相第二氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子，B相第一氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子，B相第二氮化镓MOS管PWM信号跳线选择端子；H桥母板上有两组对应每块半桥子板9个引脚的引脚插孔；

所述人机交互模块还包括对应所述半桥电路、所述全桥电路和所述DAB电路的参数设置界面，所述参数设置界面包括频率、占空比的设置，还包括“启动”按钮、“停止”按钮和“返回”按钮。

2.一种电力电子电路的通用实验装置的实验方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的一种电力电子电路的通用实验装置，进行半桥电路拓扑实验时，实验方法如下：

步骤1，在开环控制器的操作界面选择半桥电路按钮，进入参数设置界面，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比；

步骤2，将一个半桥母板的BNC接口连接在开环控制器驱动模块的一个输出连接口上，半桥子板插接在半桥母板上，端口CON-V和端口CON-VII之间通过香蕉头端子连接电容，端口CON-IV和端口CON-V之间导线连接，半桥子板的第一氮化镓MOS的一端和第二氮化镓MOS管的一端之间并联电容，第一氮化镓MOS管的一端连接在半桥母板的端口CON-II上，第一氮化镓MOS管的另一端连接第二氮化镓MOS管的另一端并同时连接在半桥母板的端口VSW上，第二氮化镓MOS管的一端连接在半桥母板的端口CON-VI上；第一氮化镓MOS管的栅极和第二氮化镓MOS管的栅极和栅极驱动芯片相连，引出PWM_H引脚、PWM_L引脚和ENABLE引脚插接在半桥母板的引脚插座上，受到半桥母板PWM控制及供电接口部分的控制，根据需要选择内部或外部方式；

步骤3，通过人机交互交互界面上的“启动”按钮，进行半桥电路拓扑实验，“停止”按钮停止实验，完成实验后，通过“返回”按钮回到初始界面。

3.如权利要求2所述的一种电力电子电路的通用实验装置的实验方法，其特征在于，进行全桥电路实验时，实验方法如下：

步骤1，在开环控制器的操作界面选择全桥电路按钮，进入参数设置界面，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比；

步骤2，将H桥母板的两个BNC接口分别连接在开环控制器驱动模块的两个输出连接口上，将两块半桥子板插接在H桥母板上，其中一块半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在H桥母板的端口CON-II上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS管的另一端并联电容分别安装在H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV上；另一块半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在H桥母板的端口CON-I上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS管的另一端安装在H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV上，端口CON-I与变压器原边之间根据测试需要通过香蕉头端子依次串联适量的电感和电容；每块半桥子板第一氮化镓MOS管的栅极和第二氮化镓MOS管的栅极和栅极驱动芯片相连，引出PWM_H引脚、PWM_L引脚和ENABLE引脚，各自插接在H桥母板的引脚插座上，受到H桥母板PWM控制及供电接口部分的控制，根据需要选择内部方式，由A相PWM信号跳线选择端子和B相PWM信号跳线选择端子，选择外部方式，由外部PWM信号输入接口控制；

步骤3，通过人机交互交互界面上的“启动”按钮，进行全桥电路拓扑实验，“停止”按钮停止实验，完成实验后，通过“返回”按钮回到初始界面。

4.如权利要求3所述的一种电力电子电路的通用实验装置的实验方法，其特征在于，进行DAB电路实验时，实验方法如下：

步骤1，在开环控制器的操作界面选择DAB电路按钮，进入参数设置界面，根据需要设置门极控制信号的频率和占空比；

步骤2，将两块H桥母板的四个BNC接口分别连接在开环控制器驱动模块的四个输出连接口上，将四块半桥子板分别插接在两块H桥母板上，其中第一块半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在一个的H桥母板的端口CON-II上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS管的另一端并联电容分别安装在H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV上；第二块半桥子板的第一氮化镓MOS管的一端和第二氮化镓MOS管的一端连接并安装在一块H桥母板的端口CON-Ⅰ上，第一氮化镓MOS管的另一端和第二氮化镓MOS管的另一端安装在H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV上；另一个H桥母板的端口CON-III和端口CON-IV之间连接负载，两个H桥母板的端口CON-I和端口CON-II之间连接电感和变压器，第三块半桥子板和第四块半桥子板的连接方式与第一块半桥子板和第二块半桥子板的连接方式相同；第一块H桥母板上的两块半桥子板第一氮化镓MOS管的栅极和第二氮化镓MOS管的栅极和栅极驱动芯片相连，引出PWM_H引脚、PWM_L引脚和ENABLE引脚各自插接在H桥母板的引脚插座上，受到H桥母板PWM控制及供电接口部分的控制，根据需要选择内部方式，由A相PWM信号跳线选择端子和B相PWM信号跳线选择端子，选择外部方式，由外部PWM信号输入接口控制；第二块H桥母板的插接方式与第一块H桥母板的连接方式相同；

步骤3，通过人机交互交互界面上的“启动”按钮，进行DAB电路拓扑实验，“停止”按钮停止实验，完成实验后，通过“返回”按钮回到初始界面。

5.如权利要求3所述的一种电力电子电路的通用实验装置的实验方法，其特征在于，半桥电路模式下，所述开环控制器的驱动模块输出一路频率可调、正脉冲宽度可调的方波信号；全桥电路模式下，所述开环控制器的驱动模块输出两路频率可调、移相角可调的方波信号；DAB电路模式下，所述开环控制器输出四路频率可调，移相角可调的方波信号。

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