改變大功率電燈或電動(dòng)機(jī)亮度的最佳技術(shù)之一就是脈寬調(diào)制（PWM）。在汽車電子系統(tǒng)中，一段時(shí)間以來(lái)，控制單元已使用PWM命令來(lái)對(duì)各種執(zhí)行器進(jìn)行控制和管理。利用周期性信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，電路的效率就非常高，所有產(chǎn)生的功率就都能傳輸?shù)截?fù)載，也即損耗幾乎為零。通過(guò)使用SiC MOSFET作為開(kāi)關(guān)元件，總效率將會(huì)更高。
改變大功率電燈或電動(dòng)機(jī)亮度的最佳技術(shù)之一就是脈寬調(diào)制（PWM）。在汽車電子系統(tǒng)中，一段時(shí)間以來(lái)，控制單元已使用PWM命令來(lái)對(duì)各種執(zhí)行器進(jìn)行控制和管理。例如，柴油機(jī)壓力調(diào)節(jié)器、電風(fēng)扇和前照燈的亮度就采用PWM信號(hào)進(jìn)行管理。利用周期性信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，電路的效率就非常高，所有產(chǎn)生的功率就都能傳輸?shù)截?fù)載，也即損耗幾乎為零。通過(guò)使用SiC MOSFET作為開(kāi)關(guān)元件，總效率將會(huì)更高。
設(shè)備
本文要講的電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的DC電源穩(wěn)壓器，可承受24V的強(qiáng)大負(fù)載。顯然，電壓可以通過(guò)調(diào)整PCB的特性來(lái)進(jìn)行改變。它可以用于改變燈的亮度或加快或降低DC電動(dòng)機(jī)的速度。邏輯操作由MCU執(zhí)行。電源的調(diào)節(jié)操作通過(guò)兩個(gè)按鈕管理。占空比的大小通過(guò)一個(gè)LED二極管監(jiān)控。
PWM信號(hào)
PWM信號(hào)是具有可變“占空比”的方波（圖1），可以通過(guò)調(diào)制占空比而利用它來(lái)控制電氣負(fù)載（在本例中為執(zhí)行器或電動(dòng)機(jī)）所吸收的功率。PWM信號(hào)的特征是固定頻率和可變占空比。“占空比”是方波呈現(xiàn)“高”電平的時(shí)間與周期T之比，其中“T”是頻率的倒數(shù)：T=1/f。例如：
- 50%占空比所對(duì)應(yīng)的方波，在50%的時(shí)間內(nèi)保持高電平，而在其余50%的時(shí)間內(nèi)保持低電平；
- 10%占空比所對(duì)應(yīng)的方波，在10%的時(shí)間內(nèi)保持高電平，而在其余90%的時(shí)間內(nèi)保持低電平；
- 90%占空比所對(duì)應(yīng)的方波，在90%的時(shí)間內(nèi)保持高電平，而在其余10%的時(shí)間內(nèi)保持低電平；
- 100%占空比所對(duì)應(yīng)的信號(hào)始終為高電平；
- 0%占空比所對(duì)應(yīng)的信號(hào)始終為低電平。
為了更清楚起見(jiàn)，如果考慮上述最后兩種情況，則占空比等于0%表示脈沖持續(xù)時(shí)間為零（實(shí)際上是無(wú)信號(hào)），而接近100%的值表示最大信號(hào)傳輸，也即受控設(shè)備獲得完整、恒定的電源。
圖1：PWM信號(hào)及其對(duì)負(fù)載的影響。
方框圖
圖2給出了該系統(tǒng)的框圖。MCU管理邏輯操作并接收操作員下發(fā)的命令。它還能產(chǎn)生PWM（小功率）信號(hào)而驅(qū)動(dòng)預(yù)驅(qū)動(dòng)器。后者將電流信號(hào)放大并將其傳遞給驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制負(fù)載。
圖2：系統(tǒng)框圖。
電氣原理圖
在圖3中可以看到接線圖。該系統(tǒng)采用大約30V的電壓供電。然后通過(guò)三個(gè)穩(wěn)壓器（7824、7812和7805）降低到5V而用于MCU邏輯。與只使用7805相比，這種技術(shù)可以限制熱量。PIC 12F675的GP0端口驅(qū)動(dòng)有一個(gè)LED二極管，而用作PWM信號(hào)的監(jiān)控器。GP1端口對(duì)由IRL540功率MOSFET組成的預(yù)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制——這特別適用于使用MCU的應(yīng)用，因?yàn)榇藭r(shí)供給“柵極”的能量非常低。第一個(gè)MOSFET的“漏極”端子對(duì)第二個(gè)SiC MOSFET進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)負(fù)載（電阻性或電感性）上的電流進(jìn)行開(kāi)關(guān)。兩個(gè)快速二極管可消除感性負(fù)載產(chǎn)生的過(guò)電壓。也可以不使用它們，因?yàn)镾iC MOSFET受到了很好的保護(hù)，但是最好還是考慮使用它們。如果使用電阻性負(fù)載，則可以將它們從電路中去掉。兩個(gè)常開(kāi)按鈕通過(guò)相應(yīng)的下拉電阻連接到MCU的GP4和GP5端口，如果不按下它們，就可以確保是低電位。
圖3：電氣原理圖。
電子元器件
下面列出了電路的電子元器件。它們并不緊缺，可以在市場(chǎng)上輕松找到。圖4給出了各種元器件的引腳排列。
- 電阻：
- R1：330Ω
- R2：10k?
- R3：10k?
- R4：100?
- R5：10k?
- R6：47k?
- R7：220?，5W
- 電容：
- C1：100nF
- C2：100nF
- C3：100nF
- C4：100nF
- C5：100nF
- C6：100nF
- C7：1,000µF電解電容
- 半導(dǎo)體
- D1：紅光LED，5mm周長(zhǎng)
- D2：快恢復(fù)二極管RFN5TF8S
- D3：快恢復(fù)二極管RFN5TF8S
- Q1：MOSFET SiC UF3C065080T3S
- Q2：MOSFET IRL540（非IRF540）
- 雜項(xiàng)：
- U1：PIC12F675_P MCU
- U2：LM7812CT穩(wěn)壓器
- U3：7805穩(wěn)壓器
- U4：LM7824CT穩(wěn)壓器
- F1：熔斷器，40A
- J1：接線端子
- J2：接線端子
- S1：常開(kāi)按鈕
- S2：常開(kāi)按鈕
圖4：元器件引腳排列。
PCB
要制作原型，就必須設(shè)計(jì)PCB，其走線如圖5所示。即使其非常簡(jiǎn)單，我們也強(qiáng)烈建議使用光刻技術(shù)來(lái)獲得更可靠、更專業(yè)的結(jié)果。一旦準(zhǔn)備好基礎(chǔ)，就需要用與焊盤相對(duì)應(yīng)的0.8mm或1mm的鉆頭鉆孔，從而增加與集成電路相關(guān)的焊盤的精度。要增加走線的厚度，實(shí)現(xiàn)更好的散熱，可以在它們上面熔化錫。
圖5：PCB。
組件
下面就可以開(kāi)始焊接元器件（圖6）。首先從低矮的元件開(kāi)始，例如電阻、電容和插座，然后再繼續(xù)到較大的元件，例如接線端子、LED二極管、MOSFET、熔斷器和電解電容。應(yīng)特別注意有極性元件。焊接時(shí)要使用功率約為30W的小型烙鐵，注意不要使不能承受過(guò)多熱量的電子元件過(guò)熱。最后，需要注意集成電路及其插座的引腳排列。
圖6：元器件的布置和電路的3D視圖。
固件
本文最后附有源程序列表（.BAS）——是使用GCB（Great Cow Basic）編譯器用BASIC語(yǔ)言編寫的——以及可執(zhí)行文件（.HEX）。在對(duì)保險(xiǎn)絲和I/O端口進(jìn)行初始配置之后，就會(huì)進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，檢查兩個(gè)按鈕的邏輯狀態(tài)。按下第一個(gè)按鈕，占空比就會(huì)減?。话聪碌诙€(gè)按鈕，占空比就會(huì)增加。占空比的百分比有10%、30%、50%、70%和90%。當(dāng)然，也可以根據(jù)程序規(guī)范添加其他值。由于PIC內(nèi)部時(shí)鐘的速度較低（4MHz），因此無(wú)法通過(guò)變量來(lái)參數(shù)化等待狀態(tài)的定時(shí)。相反，則是已經(jīng)創(chuàng)建了具有不同百分比占空比的專用子程序。在這種情況下，由固件生成的PWM信號(hào)的頻率約為2kHz。使用更快速的PIC可以對(duì)等待暫停進(jìn)行參數(shù)化并對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化。低頻率的PWM可能會(huì)在感性負(fù)載上產(chǎn)生聲音提示。但是，在電阻負(fù)載上不存在該問(wèn)題。
電路仿真
觀察電路在開(kāi)關(guān)點(diǎn)的行為以及研究SiC MOSFET的工作非常有趣。圖7給出了以下幾點(diǎn)在占空比為50%時(shí)的PWM信號(hào)波形圖：
- MCU的GPIO1端口上的PWM信號(hào)
- MOSFET IRL540的漏極上的PWM信號(hào)
- SiC MOSFET UF3C065080T3S的漏極上的PWM信號(hào)
圖7：不同點(diǎn)的PWM信號(hào)波形圖。
圖8給出了在各種占空比百分比（10%、30%、50%、70%、90%）下，MCU輸出處的PWM信號(hào)的波形圖。
圖8：不同占空比百分比下的波形圖。
電路效率
就功率傳輸而言，使用SiC MOSFET時(shí)效率非常高。這個(gè)效率通?？梢哉J(rèn)為不錯(cuò)，但不幸的是，預(yù)驅(qū)動(dòng)器的存在會(huì)使其降低。圖9給出了電路總效率的曲線圖，具體取決于施加到輸出的負(fù)載。為了提高電路效率，可以嘗試略微提高M(jìn)OSFET IRL540漏極電阻R7的值，確保SiC MOSFET的閉合沒(méi)有問(wèn)題。
圖9：電路效率與所加負(fù)載的關(guān)系。
在元件導(dǎo)通期間，直接從電路的各個(gè)工作點(diǎn)測(cè)量SiC MOSFET的RDS(on)值非常有趣。根據(jù)歐姆定律，有：
圖10對(duì)官方數(shù)據(jù)手冊(cè)中所給的值進(jìn)行了確認(rèn)。
圖10：SiC MOSFET的RDS(on)值的測(cè)量。
UF3C065080T3S SiC MOSFET
UnitedSiC公司的共源共柵產(chǎn)品將其高性能G3 SiC JFET與經(jīng)過(guò)共源共柵優(yōu)化的MOSFET封裝在一起，從而生產(chǎn)出了當(dāng)今市場(chǎng)上唯一的標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)SiC器件。該系列不僅具有極低的柵極電荷，而且在類似額定值的任何器件中具有最佳反向恢復(fù)特性。當(dāng)與推薦的RC緩沖器一起使用時(shí)，這些器件非常適合對(duì)感性負(fù)載進(jìn)行開(kāi)關(guān)，并且它們也非常適合任何需要標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。其特點(diǎn)包括：
- RDS(on)典型值為80mΩ
- 最高工作溫度為175℃
- 出色的反向恢復(fù)特性
- 低柵極電荷
- 低固有電容
- ESD保護(hù)，HBM 2級(jí)
它的典型應(yīng)用有：
- 電動(dòng)汽車充電
- 光伏逆變器
- 開(kāi)關(guān)電源
- 功率因數(shù)校正模塊
- 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
- 感應(yīng)加熱
由于本文隨附有SPICE文件，因此可以將SiC MOSFET與最重要的電子仿真程序一起使用。
總結(jié)
PWM控制可以對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器（例如電機(jī)和電燈）獲得更好的定性性能。盡管可以隨意改變亮度，但是光的質(zhì)量更好。即使在低轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩也很高。本文介紹的電路主要用于指導(dǎo)，并為對(duì)該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。熟悉PWM很有用。顯然，設(shè)計(jì)人員可以在功率和效率上進(jìn)行改進(jìn)。但是，建議不要將提供的功率移到最大，以免電路過(guò)熱。
（原文參考鏈接：Driving a Powerful Lamp or Motor with SiC）
本文轉(zhuǎn)自《電子技術(shù)設(shè)計(jì)》網(wǎng)站
責(zé)編：Amy Guan
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