本帖最后由 STM新闻官 于 2024-6-14 09:57 编辑
节能减排和绿色低碳已经成为全世界的主旋律，随着中国双碳战略的逐步落地，如何培养电力电子技术人才，推动新能源产业创新成为重中之重。中国电源学会2015年发起举办高校电力电子应用设计大赛。这是一项以电力电子技术应用为对象，以创新、节能减排以及新能源利用为主题的创意性科技竞赛，面向全国高校学生，旨在鼓励学生将电力电子技术应用于实践，激发学生的创新精神和实践能力。ST作为联合支持单位，为第十届高校电力电子设计大赛注入强劲动力，助力青年英才脱颖而出。在刚刚结束的大赛的启动仪式上，ST微控制器部门唐晓城先生和ST电源 & 能源技术创新中心王蕊女士代表ST分别介绍了针对本次大赛无线充电题目的系统解决方案和对应产品说明。在启动仪式上，大会特别邀请了第九届大赛特等奖获得者团队核心成员——来自西南交大（目前在哈工大读研）的冯元同学分享他的参赛经验。ST工作人员注意到，冯同学分享的经验干货满满，作为一名电子发烧友，他个人的学习成长经历令人印象深刻，因此我们安排了对冯同学的采访，希望给更多高校的蝶粉们参考借鉴。
▲ 竞赛现场
第九届设计大赛题目为：“高效高功率密度三相宽频逆变器”，功率为500W。冯同学设计的作品具有高效，高功率密度，低输入电流纹波的特点，很好的满足了题目要求，并且可应用于微电网和电机驱动等领域。
为实现大赛要求的极致的高效率以及高功率密度评价指标，冯同学在设计里采用TCM三角电流模式实现器件的零电压导通，在提高效率的同时最小化滤波器体积，并且在硬件设计方面进行立体堆叠，提高样机的体积利用率，从而实现了很高的功率密度。经测试，该设计的功率密度指标远超所有对手，达到245W每立方英寸，效率指标也名列前茅，达到98.3%，由此斩获特等奖殊荣。值得一提的是，他的设计采用了意法半导体的STM32G474 MCU进行开发。
如此出色的指标是怎么实现的？如何在紧张激烈的大赛中稳定发挥，尽可能取得最好的成绩？带着这些问题，我们连线了冯同学。
STM32G474：专为数字电源优化，实现高功率密度与高效率
在设计方案中，冯同学选择了ST的一款MCU——STM32G474作为主控芯片，产生控制信号，驱动功率器件，采样反馈，同时还承担与上位机之间的通信任务。为什么会选择STM32G474？冯同学解释：对于这个比赛，高效高功率密度是竞赛的首要要求，控制器应在满足功能要求的前提下尽量减小体积，STM32G474CEU6采用7mm×7mm贴片封装，体积小，并且集成丰富的模拟外设，如运放、比较器、ADC 、DAC等，可简化外置信号调理电路，进一步减小体积。STM32G474特别针对数字电源应用进行了优化。尤其是应用宽禁带半导体器件的场合。宽禁带半导体器件具有很好的开关性能，能够提高开关频率，从而减小元件体积，提高整体功率密度。采用宽禁带半导体器件的数字电源开关频率高达上百kHz甚至MHz，一般的定时器精度难以满足控制精度要求。STM32G474配备的多路高精度定时器，能在高开关频率下能产生高精度驱动波形，实现更高的控制精度。
冯同学还强调，选择STM32的另一个原因在于其强大的生态系统支持。它的开发可以基于HAL库以及STM32CubeMX初始化工具，可在很大程度上减轻开发负担，学习成本低。设计人员不用过多涉及底层细节，可以更多地关注自己的应用。通过HAL库把各产品线的生态连在一起，形成强大合力，用户在不同的产品线之间迁移非常方便。
在遇到问题的时候，ST提供的支持也比较全面，直接搜索相关教程或去ST官网查找参考手册(Reference manual)，通过自己的理解和学习就可以基本解决。
参赛干货分享对于高校学生来说，参加设计大赛是有效提高实践能力的理想平台。但顺利完成自己的作品却不是件容易的事。同学们经常会遭遇各种滑铁卢，甚至导致几个月的心血付之东流。在此，冯同学也分享了他的切身体会并总结出了几点干货：
第一，重视安全问题。电力电子设计有一定的危险性，可能会涉及较高电压，且需要用到电烙铁，需要特别注意防触电及防火。在调试样机时，可以用透明塑料球罩住样机，避免发生意外爆炸导致伤人。
第二，着重考虑稳定性。很多参赛队在现场测试时样机损坏，非常可惜。为提高稳定性，设计时就应预留出足够的裕量，避免器件工作在极限状态，并在现场决赛前做充足的测试。
第三，保证焊接及连接可靠性。如果焊点不可靠，在学校里能正常工作，经过一路颠簸到比赛现场就可能开焊了，导致样机失效。杜邦线是很流行的连接线，但其抗干扰性差，连接较松，插拔的次数一多就容易造成接触不良，导致样机出问题。
第四，准备备用机。备用机和测试机一起带去比赛现场，万一测试机出现意外失效，可以用备用继续完成比赛，避免因为意外让半年的工作白费。
第五，分清主次，逐步逼近目标。比赛提出的技术要求指标比较高，很难一次搞定。必须分清主次，先完成重要部分，再逐步逼近、不断打磨，利用技术创新，取得最好结果。
第六，在试错中反思，不断优化。比赛总会出现意料之外的问题。对于试错成本很高的情况，每次出错后，都要反思并找到问题来源，不断改进，减少损失。对于低试错成本的情况，如控制器参数，可以反复尝试，找到最优值，以较小的代价实现更好的效果。
最后，合理安排时间，拆分任务，并行处理。比赛任务可以拆分成多个小任务，如主电路，程序，及PCB设计，用类似流水线的方式并行完成，提高效率。同时还需要有一定的提前量，避免意外情况（如感冒发烧）耽误时间，保证按时提交作品。作为嵌入式设计领域的小白，如何才能尽快成长起来？冯同学觉得可以先从复刻优秀方案开始，不断提升软硬件开发能力，ST以及其他知名企业的网站里就有很多值得学习的设计资源。逐渐入门之后，再按照自己的需求进行独立开发，这个路线更容易走下去。冯同学还聊到，他从小就对电子电路设计非常感兴趣，并开始自己制作一些电路板，通过在相关互联网论坛里与电子发烧友们的交流学习，不断尝试，不断成长，到现在能够把兴趣爱好与未来职业发展方向充分结合起来，他感到非常幸运。未来，他希望能成为数字电源领域具有软硬件综合设计能力的工程师，为实现双碳目标作出一份自己的贡献。
冯同学用自己的成长经历为所有有志于从事嵌入式研发事业的同学们打了样，相信未来还会涌现出更多像他一样热爱电力电子设计，勇于探索创新的优秀工程师们，为中国新能源产业发展创新贡献力量！
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