用SiC驱动强大的灯或电机

本文将建议如何创建一个能够调节大功率灯或电机电流的电路。该器件与微控制器配合使用，保证 PWM 信号驱动电源负载。开关元件以 SiC MOSFET 为代表。

改变大功率灯或电机亮度的最佳技术之一是脉冲宽度调制 (PWM)。在汽车电子系统中，一段时间以来，控制单元使用 PWM 命令控制和管理各种执行器。例如，柴油压力调节器、电风扇和大灯的亮度均由 PWM 信号管理。使用周期信号驱动负载，电路效率非常高，产生的功率全部传输到负载，损耗几乎为零。通过使用 SiC MOSFET 作为开关元件，总效率更高。

设备

所描述的电路是一个简单的直流电源调节器，适用于 24 V 的大功率负载。通过明显适应 PCB 的特性，可以改变电压。它可用于改变灯的亮度或加快或减慢直流电机的速度。逻辑运算由微控制器执行。电源的调节操作由两个按钮管理。占空比的数量由 LED 二极管监控。

PWM 信号

PWM 信号是具有可变“占空比”的方波（图 1），它允许您控制电气负载（在本例中为执行器或电动机）吸收的功率，从而调制占空比. PWM 信号具有固定频率和可变占空比的特点。“占空比”是方波呈现“高”值的时间与周期 T 之间的比率，其中“T”是频率的倒数：T = 1/f。例如：

50% 的占空比对应于一个方波，它在 50% 的时间内保持高值，在剩余的 50% 中保持低值；

10% 的占空比对应于一个方波，它在 10% 的时间内保持高值，其余 90% 的时间保持低值；

90% 的占空比对应于方波，它在 90% 的时间内保持高值，其余 10% 的时间保持低值；

100% 占空比对应于始终为高的信号；

0% 的占空比对应于始终为低的信号。

为了更清楚起见，如果我们考虑提到的最后两种情况，占空比等于 0% 表示脉冲持续时间为零——实际上，没有信号——而接近 100% 的值表示最大信号传输，因此，受控设备的充分和恒定的电源。

图 1：PWM 信号及其对负载的影响

框图

图2显示了系统的框图。微控制器管理逻辑操作并接收来自操作员的命令。它还生成驱动预驱动器的 PWM（低功耗）信号。后者放大电流信号并将其传递给控制负载的驱动器。

图 2：系统框图

电气原理

图见图3，我们可以观察接线图。该系统由大约 30 V 的电压供电。通过三个稳压器（7824、7812 和 7805）将 MCU 逻辑的电压降至 5 V。与 7805 的独特用途相比，这种技术可以限制热量。PIC 12F675 的 GP0 端口驱动一个 LED 二极管，该二极管用作 PWM 信号的监视器。GP1 端口控制由 IRL540 功率 MOSFET 组成的预驱动器，特别适用于带有微控制器的应用，其中“门”的能量非常低。第一个 MOSFET 的“漏极”端驱动第二个 SIC MOSFET 以切换负载上的电流（电阻或电感）。两个快速二极管消除了感性负载产生的过电压。你可以不用它们，因为 SIC MOSFET 得到了很好的保护，但最好考虑使用它们。如果使用电阻负载，它们可以从电路中消除。两个常开按钮通过相应的下拉电阻连接到单片机的GP4和GP5端口，保证不按时为低电位。

图 3：电气原理图

电子元件

下面列出了电路的电子元件。它们并不重要，很容易在市场上找到。图 4显示了各种组件的引脚排列。

电阻器：

R1：330Ω

R2：10kΩ

R3：10kΩ

R4：100Ω

R5：10kΩ

R6：47kΩ

R7：220Ω 5W

电容器：

C1：100 nF

C2：100 nF

C3：100 nF

C4：100 nF

C5：100 nF

C6：100 nF

C7：1,000 µF 电解

半导体：

D1：红色 LED 5 mm 圆形

D2：二极管快恢复RFN5TF8S

D3：二极管快恢复RFN5TF8S

Q1：MOSFET 碳化硅 UF3C065080T3S

Q2：MOSFET IRL540（不是 IRF540）

各种各样的：

U1：PIC12F675_P单片机

U2：LM7812CT稳压器

U3：7805稳压器

U4：LM7824CT稳压器

F1：保险丝 40 A

J1：接线端子

J2：接线端子

S1：按钮常开

S2：按钮常开

图 4：组件的引脚分配

PCB

为了构建原型，需要设计印刷电路，其走线如图 5所示。即使我们强烈建议使用光刻技术来获得更可靠和专业的结果，这也很简单。一旦底座准备好，就需要用0.8毫米或1毫米的钻头与焊盘相对应地钻孔，增加与集成电路相关的焊盘的精度。为了增加轨道的厚度，更好地散热，你可以在上面熔化锡。

图 5：PCB

组装

您可以继续焊接组件（图 6），从低剖面的组件开始，例如电阻器、电容器和插座，然后继续焊接更大的组件，例如接线端子、LED 二极管、 MOSFET、保险丝和电解电容器。应特别注意极化组件。焊接时，请使用功率约为 30 W 的小烙铁，注意不要使无法承受过热的电子元件过热。最后，注意集成电路及其插座的引脚排列。

图 6：元件排列和电路 3D 视图

固件

本文随附的源代码清单 (.BAS) 是使用 BASIC 语言编写的，使用 GCB 编译器 (Great Cow Basic) 和可执行文件 (.HEX)。在保险丝和 I/O 端口的初始配置之后，无限循环检查两个按钮的逻辑状态。通过按下第一个按钮，占空比减小。另一方面，通过按下第二个按钮，占空比增加。占空比的百分比为 10%、30%、50%、70% 和 90%。当然，您可以根据程序规范添加其他值。由于 PIC 内部时钟的低速 (4 MHz)，无法通过变量参数化等待状态的时序。相反，已经创建了具有不同百分比的占空比的专用子程序。固件产生的PWM信号，在这种情况下，频率约为 2 kHz。使用更快的 PIC 将允许等待暂停的参数化和代码的优化。PWM 的低频可以在感性负载上产生声音。然而，在阻性负载上不存在这个问题。

电路仿真

观察电路在开关点的行为并研究 SiC MOSFET 所做的工作非常有趣。图 7显示了占空比为 50% 的 PWM 信号在以下几点的波形图：

微控制器 GPIO1 端口上的 PWM 信号

MOSFET IRL540 漏极上的 PWM 信号

SiC MOSFET UF3C065080T3S 漏极上的 PWM 信号

图 7：PWM 信号在各个点的波形图

图 8显示了微控制器输出端的 PWM 信号波形图，占空比的不同百分比（10%、30%、50%、70%、90%）。

图 8：占空比不同百分比的波形图

电路效率

就功率传输而言，使用 SiC MOSFET 时的效率非常高。不幸的是，预驱动器的存在降低了这种效率，平均而言，这可以被认为是好的。图 9显示了电路的总效率曲线图，具体取决于施加到输出的负载。为了提高电路的效率，您可以尝试稍微提高 MOSFET IRL540 的漏极电阻 R7 的值，确保 SiC MOSFET 的闭合没有问题。

图 9：电路效率与所施加负载的关系

在元件导通期间，直接从电路的各个工作点测量 SiC MOSFET的 R DS(on)值很有趣。根据欧姆定律，我们有：

图 10确认了官方数据表中显示的值。

图 10：测量 SiC MOSFET 的 RDS(on) 值

UF3C065080T3S SiC MOSFET

United Carbide 的级联产品将其高性能 G3 SiC JFET 与级联优化 MOSFET 共同封装，以生产当今市场上唯一的标准栅极驱动 SiC 器件。该系列表现出超低的栅极电荷，但在任何类似额定值的器件中，它也具有最佳的反向恢复特性。当与推荐的 RC 缓冲器和任何需要标准栅极驱动的应用一起使用时，这些器件非常适合切换电感负载。它的特点是：

R DS(on)典型值为 80 mΩ

最高工作温度 175°C

出色的反向恢复

低栅极电荷

低固有电容

ESD 保护，HBM 2 类

其典型应用有：

电动汽车充电

光伏逆变器

开关模式电源

功率因数校正模块

电机驱动

感应加热

由于文章随附的 SPICE 文件的存在，您可以将 SiC MOSFET 与最重要的电子仿真程序一起使用。

结论

PWM 控制可以让您获得更好的功率执行器（例如电机和灯）的定性行为。光的质量更好，虽然亮度的程度可以随意改变。即使在低转速下，发动机扭矩也非常高。本文中描述的电路主要具有教学目的，并为进一步研究该领域奠定了基础。熟悉 PWM 很有用。设计师绝对可以改进它，无论是功率还是效率。但是，建议不要将提供的功率推到最大，以免电路过热。

审核编辑：刘清