用SiC驅(qū)動(dòng)強(qiáng)大的燈或電機(jī)

本文將建議如何創(chuàng)建一個(gè)能夠調(diào)節(jié)大功率燈或電機(jī)電流的電路。該器件與微控制器配合使用，保證 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)電源負(fù)載。開關(guān)元件以 SiC MOSFET 為代表。

改變大功率燈或電機(jī)亮度的最佳技術(shù)之一是脈沖寬度調(diào)制 (PWM)。在汽車電子系統(tǒng)中，一段時(shí)間以來(lái)，控制單元使用 PWM 命令控制和管理各種執(zhí)行器。例如，柴油壓力調(diào)節(jié)器、電風(fēng)扇和大燈的亮度均由 PWM 信號(hào)管理。使用周期信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，電路效率非常高，產(chǎn)生的功率全部傳輸?shù)截?fù)載，損耗幾乎為零。通過(guò)使用 SiC MOSFET 作為開關(guān)元件，總效率更高。

設(shè)備

所描述的電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的直流電源調(diào)節(jié)器，適用于 24 V 的大功率負(fù)載。通過(guò)明顯適應(yīng) PCB 的特性，可以改變電壓。它可用于改變燈的亮度或加快或減慢直流電機(jī)的速度。邏輯運(yùn)算由微控制器執(zhí)行。電源的調(diào)節(jié)操作由兩個(gè)按鈕管理。占空比的數(shù)量由 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），它允許您控制電氣負(fù)載（在本例中為執(zhí)行器或電動(dòng)機(jī)）吸收的功率，從而調(diào)制占空比. PWM 信號(hào)具有固定頻率和可變占空比的特點(diǎn)?！罢伎毡取笔欠讲ǔ尸F(xiàn)“高”值的時(shí)間與周期 T 之間的比率，其中“T”是頻率的倒數(shù)：T = 1/f。例如：

50% 的占空比對(duì)應(yīng)于一個(gè)方波，它在 50% 的時(shí)間內(nèi)保持高值，在剩余的 50% 中保持低值；

10% 的占空比對(duì)應(yīng)于一個(gè)方波，它在 10% 的時(shí)間內(nèi)保持高值，其余 90% 的時(shí)間保持低值；

90% 的占空比對(duì)應(yīng)于方波，它在 90% 的時(shí)間內(nèi)保持高值，其余 10% 的時(shí)間保持低值；

100% 占空比對(duì)應(yīng)于始終為高的信號(hào)；

0% 的占空比對(duì)應(yīng)于始終為低的信號(hào)。

為了更清楚起見，如果我們考慮提到的最后兩種情況，占空比等于 0% 表示脈沖持續(xù)時(shí)間為零——實(shí)際上，沒(méi)有信號(hào)——而接近 100% 的值表示最大信號(hào)傳輸，因此，受控設(shè)備的充分和恒定的電源。

圖 1：PWM 信號(hào)及其對(duì)負(fù)載的影響

框圖

圖2顯示了系統(tǒng)的框圖。微控制器管理邏輯操作并接收來(lái)自操作員的命令。它還生成驅(qū)動(dòng)預(yù)驅(qū)動(dòng)器的 PWM（低功耗）信號(hào)。后者放大電流信號(hào)并將其傳遞給控制負(fù)載的驅(qū)動(dòng)器。

圖 2：系統(tǒng)框圖

電氣原理

圖見圖3，我們可以觀察接線圖。該系統(tǒng)由大約 30 V 的電壓供電。通過(guò)三個(gè)穩(wěn)壓器（7824、7812 和 7805）將 MCU 邏輯的電壓降至 5 V。與 7805 的獨(dú)特用途相比，這種技術(shù)可以限制熱量。PIC 12F675 的 GP0 端口驅(qū)動(dòng)一個(gè) LED 二極管，該二極管用作 PWM 信號(hào)的監(jiān)視器。GP1 端口控制由 IRL540 功率 MOSFET 組成的預(yù)驅(qū)動(dòng)器，特別適用于帶有微控制器的應(yīng)用，其中“門”的能量非常低。第一個(gè) MOSFET 的“漏極”端驅(qū)動(dòng)第二個(gè) SIC MOSFET 以切換負(fù)載上的電流（電阻或電感）。兩個(gè)快速二極管消除了感性負(fù)載產(chǎn)生的過(guò)電壓。你可以不用它們，因?yàn)?SIC MOSFET 得到了很好的保護(hù)，但最好考慮使用它們。如果使用電阻負(fù)載，它們可以從電路中消除。兩個(gè)常開按鈕通過(guò)相應(yīng)的下拉電阻連接到單片機(jī)的GP4和GP5端口，保證不按時(shí)為低電位。

圖 3：電氣原理圖

電子元件

下面列出了電路的電子元件。它們并不重要，很容易在市場(chǎng)上找到。圖 4顯示了各種組件的引腳排列。

電阻器：

R1：330Ω

R2：10kΩ

R3：10kΩ

R4：100Ω

R5：10kΩ

R6：47kΩ

R7：220Ω 5W

電容器：

C1：100 nF

C2：100 nF

C3：100 nF

C4：100 nF

C5：100 nF

C6：100 nF

C7：1,000 μF 電解

半導(dǎo)體：

D1：紅色 LED 5 mm 圓形

D2：二極管快恢復(fù)RFN5TF8S

D3：二極管快恢復(fù)RFN5TF8S

Q1：MOSFET 碳化硅 UF3C065080T3S

Q2：MOSFET IRL540（不是 IRF540）

各種各樣的：

U1：PIC12F675_P單片機(jī)

U2：LM7812CT穩(wěn)壓器

U3：7805穩(wěn)壓器

U4：LM7824CT穩(wěn)壓器

F1：保險(xiǎn)絲 40 A

J1：接線端子

J2：接線端子

S1：按鈕常開

S2：按鈕常開

圖 4：組件的引腳分配

PCB

為了構(gòu)建原型，需要設(shè)計(jì)印刷電路，其走線如圖 5所示。即使我們強(qiáng)烈建議使用光刻技術(shù)來(lái)獲得更可靠和專業(yè)的結(jié)果，這也很簡(jiǎn)單。一旦底座準(zhǔn)備好，就需要用0.8毫米或1毫米的鉆頭與焊盤相對(duì)應(yīng)地鉆孔，增加與集成電路相關(guān)的焊盤的精度。為了增加軌道的厚度，更好地散熱，你可以在上面熔化錫。

圖 5：PCB

組裝

您可以繼續(xù)焊接組件（圖 6），從低剖面的組件開始，例如電阻器、電容器和插座，然后繼續(xù)焊接更大的組件，例如接線端子、LED 二極管、 MOSFET、保險(xiǎn)絲和電解電容器。應(yīng)特別注意極化組件。焊接時(shí)，請(qǐng)使用功率約為 30 W 的小烙鐵，注意不要使無(wú)法承受過(guò)熱的電子元件過(guò)熱。最后，注意集成電路及其插座的引腳排列。

圖 6：元件排列和電路 3D 視圖

固件

本文隨附的源代碼清單 (.BAS) 是使用 BASIC 語(yǔ)言編寫的，使用 GCB 編譯器 (Great Cow Basic) 和可執(zhí)行文件 (.HEX)。在保險(xiǎn)絲和 I/O 端口的初始配置之后，無(wú)限循環(huán)檢查兩個(gè)按鈕的邏輯狀態(tài)。通過(guò)按下第一個(gè)按鈕，占空比減小。另一方面，通過(guò)按下第二個(gè)按鈕，占空比增加。占空比的百分比為 10%、30%、50%、70% 和 90%。當(dāng)然，您可以根據(jù)程序規(guī)范添加其他值。由于 PIC 內(nèi)部時(shí)鐘的低速 (4 MHz)，無(wú)法通過(guò)變量參數(shù)化等待狀態(tài)的時(shí)序。相反，已經(jīng)創(chuàng)建了具有不同百分比的占空比的專用子程序。固件產(chǎn)生的PWM信號(hào)，在這種情況下，頻率約為 2 kHz。使用更快的 PIC 將允許等待暫停的參數(shù)化和代碼的優(yōu)化。PWM 的低頻可以在感性負(fù)載上產(chǎn)生聲音。然而，在阻性負(fù)載上不存在這個(gè)問(wèn)題。

電路仿真

觀察電路在開關(guān)點(diǎn)的行為并研究 SiC MOSFET 所做的工作非常有趣。圖 7顯示了占空比為 50% 的 PWM 信號(hào)在以下幾點(diǎn)的波形圖：

微控制器 GPIO1 端口上的 PWM 信號(hào)

MOSFET IRL540 漏極上的 PWM 信號(hào)

SiC MOSFET UF3C065080T3S 漏極上的 PWM 信號(hào)

圖 7：PWM 信號(hào)在各個(gè)點(diǎn)的波形圖

圖 8顯示了微控制器輸出端的 PWM 信號(hào)波形圖，占空比的不同百分比（10%、30%、50%、70%、90%）。

圖 8：占空比不同百分比的波形圖

電路效率

就功率傳輸而言，使用 SiC MOSFET 時(shí)的效率非常高。不幸的是，預(yù)驅(qū)動(dòng)器的存在降低了這種效率，平均而言，這可以被認(rèn)為是好的。圖 9顯示了電路的總效率曲線圖，具體取決于施加到輸出的負(fù)載。為了提高電路的效率，您可以嘗試稍微提高 MOSFET IRL540 的漏極電阻 R7 的值，確保 SiC MOSFET 的閉合沒(méi)有問(wèn)題。

圖 9：電路效率與所施加負(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 R DS(on)值很有趣。根據(jù)歐姆定律，我們有：

圖 10確認(rèn)了官方數(shù)據(jù)表中顯示的值。

圖 10：測(cè)量 SiC MOSFET 的 RDS(on) 值

UF3C065080T3S SiC MOSFET

United Carbide 的級(jí)聯(lián)產(chǎn)品將其高性能 G3 SiC JFET 與級(jí)聯(lián)優(yōu)化 MOSFET 共同封裝，以生產(chǎn)當(dāng)今市場(chǎng)上唯一的標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng) SiC 器件。該系列表現(xiàn)出超低的柵極電荷，但在任何類似額定值的器件中，它也具有最佳的反向恢復(fù)特性。當(dāng)與推薦的 RC 緩沖器和任何需要標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用一起使用時(shí)，這些器件非常適合切換電感負(fù)載。它的特點(diǎn)是：

R DS(on)典型值為 80 mΩ

最高工作溫度 175°C

出色的反向恢復(fù)

低柵極電荷

低固有電容

ESD 保護(hù)，HBM 2 類

其典型應(yīng)用有：

電動(dòng)汽車充電

光伏逆變器

開關(guān)模式電源

功率因數(shù)校正模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

感應(yīng)加熱

由于文章隨附的 SPICE 文件的存在，您可以將 SiC MOSFET 與最重要的電子仿真程序一起使用。

結(jié)論

PWM 控制可以讓您獲得更好的功率執(zhí)行器（例如電機(jī)和燈）的定性行為。光的質(zhì)量更好，雖然亮度的程度可以隨意改變。即使在低轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩也非常高。本文中描述的電路主要具有教學(xué)目的，并為進(jìn)一步研究該領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。熟悉 PWM 很有用。設(shè)計(jì)師絕對(duì)可以改進(jìn)它，無(wú)論是功率還是效率。但是，建議不要將提供的功率推到最大，以免電路過(guò)熱。

審核編輯：劉清