【经验】用SiC驱动大功率灯或电机的实例解析

时间： 2021-11-08 来源：SLKOR

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改变大功率电灯或电动机亮度的最佳技术之一就是脉宽调制（PWM）。在汽车电子系统中，一段时间以来，控制单元已使用PWM命令来对各种执行器进行控制和管理。例如，柴油机压力调节器、电风扇和前照灯的亮度就采用PWM信号进行管理。利用周期性信号驱动负载，电路的效率就非常高，所有产生的功率就都能传输到负载，也即损耗几乎为零。通过使用SiC MOSFET作为开关元件，总效率将会更高。

设备

本文要讲的电路是一个简单的DC电源稳压器，可承受24V的强大负载。显然，电压可以通过调整PCB的特性来进行改变。它可以用于改变灯的亮度或加快或降低DC电动机的速度。逻辑操作由MCU执行。电源的调节操作通过两个按钮管理。占空比的大小通过一个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），可以通过调制占空比而利用它来控制电气负载（在本例中为执行器或电动机）所吸收的功率。PWM信号的特征是固定频率和可变占空比。“占空比”是方波呈现“高”电平的时间与周期T之比，其中“T”是频率的倒数：T=1/f。例如：

50%占空比所对应的方波，在50%的时间内保持高电平，而在其余50%的时间内保持低电平；

10%占空比所对应的方波，在10%的时间内保持高电平，而在其余90%的时间内保持低电平；

90%占空比所对应的方波，在90%的时间内保持高电平，而在其余10%的时间内保持低电平；

100%占空比所对应的信号始终为高电平；

0%占空比所对应的信号始终为低电平。

为了更清楚起见，如果考虑上述最后两种情况，则占空比等于0%表示脉冲持续时间为零（实际上是无信号），而接近100%的值表示最大信号传输，也即受控设备获得完整、恒定的电源。

图1：PWM信号及其对负载的影响。

方框图

图2给出了该系统的框图。MCU管理逻辑操作并接收操作员下发的命令。它还能产生PWM（小功率）信号而驱动预驱动器。后者将电流信号放大并将其传递给驱动器，进而控制负载。

图2：系统框图。

电气原理图

在图3中可以看到接线图。该系统采用大约30V的电压供电。然后通过三个稳压器（7824、7812和7805）降低到5V而用于MCU逻辑。与只使用7805相比，这种技术可以限制热量。PIC 12F675的GP0端口驱动有一个LED二极管，而用作PWM信号的监控器。GP1端口对由IRL540功率MOSFET组成的预驱动器进行控制——这特别适用于使用MCU的应用，因为此时供给“栅极”的能量非常低。第一个MOSFET的“漏极”端子对第二个SiC MOSFET进行驱动，对负载（电阻性或电感性）上的电流进行开关。两个快速二极管可消除感性负载产生的过电压。也可以不使用它们，因为SiC MOSFET受到了很好的保护，但是最好还是考虑使用它们。如果使用电阻性负载，则可以将它们从电路中去掉。两个常开按钮通过相应的下拉电阻连接到MCU的GP4和GP5端口，如果不按下它们，就可以确保是低电位。

图3：电气原理图。

电子元器件

下面列出了电路的电子元器件。它们并不紧缺，可以在市场上轻松找到。图4给出了各种元器件的引脚排列。

电阻：

R1：330Ω

R2：10kΩ

R3：10kΩ

R4：100Ω

R5：10kΩ

R6：47kΩ

R7：220Ω，5W

电容：

C1：100nF

C2：100nF

C3：100nF

C4：100nF

C5：100nF

C6：100nF

C7：1,000µF电解电容

半导体

D1：红光LED，5mm周长

D2：快恢复二极管RFN5TF8S

D3：快恢复二极管RFN5TF8S

Q1：MOSFET SiC UF3C065080T3S

Q2：MOSFET IRL540（非IRF540）

杂项：

U1：PIC12F675_P MCU

U2：LM7812CT稳压器

U3：7805稳压器

U4：LM7824CT稳压器

1：熔断器，40A

J1：接线端子

J2：接线端子

S1：常开按钮

S2：常开按钮

图4：元器件引脚排列。

PCB

要制作原型，就必须设计PCB，其走线如图5所示。即使其非常简单，我们也强烈建议使用光刻技术来获得更可靠、更专业的结果。一旦准备好基础，就需要用与焊盘相对应的0.8mm或1mm的钻头钻孔，从而增加与集成电路相关的焊盘的精度。要增加走线的厚度，实现更好的散热，可以在它们上面熔化锡。

图5：PCB。

组件

下面就可以开始焊接元器件（图6）。首先从低矮的元件开始，例如电阻、电容和插座，然后再继续到较大的元件，例如接线端子、LED二极管、MOSFET、熔断器和电解电容。应特别注意有极性元件。焊接时要使用功率约为30W的小型烙铁，注意不要使不能承受过多热量的电子元件过热。最后，需要注意集成电路及其插座的引脚排列。

图6：元器件的布置和电路的3D视图。

固件

本文最后附有源程序列表（.BAS）——是使用GCB（Great Cow Basic）编译器用BASIC语言编写的——以及可执行文件（.HEX）。在对保险丝和I/O端口进行初始配置之后，就会进入无限循环，检查两个按钮的逻辑状态。按下第一个按钮，占空比就会减小；按下第二个按钮，占空比就会增加。占空比的百分比有10%、30%、50%、70%和90%。当然，也可以根据程序规范添加其他值。由于PIC内部时钟的速度较低（4MHz），因此无法通过变量来参数化等待状态的定时。相反，则是已经创建了具有不同百分比占空比的专用子程序。在这种情况下，由固件生成的PWM信号的频率约为2kHz。使用更快速的PIC可以对等待暂停进行参数化并对代码进行优化。低频率的PWM可能会在感性负载上产生声音提示。但是，在电阻负载上不存在该问题。

电路仿真

观察电路在开关点的行为以及研究SiC MOSFET的工作非常有趣。图7给出了以下几点在占空比为50%时的PWM信号波形图：

MCU的GPIO1端口上的PWM信号

MOSFET IRL540的漏极上的PWM信号

SiC MOSFET UF3C065080T3S的漏极上的PWM信号

图7：不同点的PWM信号波形图。

图8给出了在各种占空比百分比（10%、30%、50%、70%、90%）下，MCU输出处的PWM信号的波形图。

电路效率

就功率传输而言，使用SiC MOSFET时效率非常高。这个效率通常可以认为不错，但不幸的是，预驱动器的存在会使其降低。图9给出了电路总效率的曲线图，具体取决于施加到输出的负载。为了提高电路效率，可以尝试略微提高MOSFET IRL540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RDS(on)值非常有趣。根据欧姆定律，有：

图10对官方数据手册中所给的值进行了确认。

图10：SiC MOSFET的RDS(on)值的测量。

UF3C065080T3S SiC MOSFET

UnitedSiC公司的共源共栅产品将其高性能G3 SiC JFET与经过共源共栅优化的MOSFET封装在一起，从而生产出了当今市场上唯一的标准栅极驱动SiC器件。

该系列不仅具有极低的栅极电荷，而且在类似额定值的任何器件中具有最佳反向恢复特性。当与推荐的RC缓冲器一起使用时，这些器件非常适合对感性负载进行开关，并且它们也非常适合任何需要标准栅极驱动的应用。其特点包括：

RDS(on)典型值为80mΩ

最高工作温度为175℃

出色的反向恢复特性

低栅极电荷

低固有电容

ESD保护，HBM 2级

它的典型应用有：

电动汽车充电

光伏逆变器

开关电源

功率因数校正模块

电机驱动

感应加热

总结

PWM控制可以对电动执行器（例如电机和电灯）获得更好的定性性能。尽管可以随意改变亮度，但是光的质量更好。即使在低转速下，发动机扭矩也很高。本文介绍的电路主要用于指导，并为对该领域的进一步研究奠定了基础。熟悉PWM很有用。显然，设计人员可以在功率和效率上进行改进。但是，建议不要将提供的功率移到最大，以免电路过热。

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目录- 用于xEV的产品用于动力传动系统&安全性的产品用于车身&舒适度的产品用于音频&信息娱乐系统的产品用于ADAS的产品用于联网汽车的产品车载IC 罗姆IC封装 LSI封装功率元器件分立式元器件无源元器件光学元器件型号索引

型号- RBQ20NS65A,RFN20NS6S,RR1VWM4STFTR,BM2LB300FJ-C,RF071MM2S,RSX101VYM30,DTA124TX,RFUH20NS3S,SMF26V,SMLM22WBN1CW1T,2SCR552P,RB058LAM150,SCT2系列,BD50FA1MG-M,2SC4102,RB088LAM-60,RB238NS150,SML-D12Y8W,BD3575HFP-M,BR25H128,VS17VUA1LAM,BD4XXM5FP2-C,RFUH20NS4S,BD50HC5MEFJ-M,BM61M41RFV-C,2SCR553P,BA82904YFVM-C,RSS070N05,BD30GA5MEFJ-M,BA4560YFV-M,BD80C0AWFP2-C,RB298T100,BD18HC0MEFJ-M,MD56V62161R-XXTAL42X,BD46EXX1G-M,RSS060P05,SMF24V,BR25H160,SCT3022ALHR,2SCR554P,SML-D13MW(A),BR25A512,RGPR20BM36HR,CSL1101SBAW1C,RB068L-40 81,BD00GC0MEFJ-M,RD3U041AA RD3U080AA,BA2901YFV-M,RD3P175SN,BU91R65CH-M,BD53XXG-2M SERIES,BZX84B,BZX84C,SML-D14MWA,BD52XXG-2C,RBR30NS30A,BAS40HM,BD82006FVJ-M,MD56V62161M-XXTAL42X,SCT2,SCT3,MD56V72161C-XXTAL42X,KDZLV 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SERIES,FMY1A,RBQ30NS45B,BD82004FVJ-M,RBQ30NS45A,SML-811WT,SMLMN2SB1AW,RBR10BM30AFHTL,RBR40NS60A,BD9060F-C,MR45V064B,RB058LAM-60,RFUH20NS6S,RB168LAM-60,SML-D13DW,BZX84C SERIES,RESD1CAN,US6K41,BD35395FJ-M,BD80C0A,SP8M41,BD81A44MUV-M,EMH25FHAT2R,BD16938EFV-C,BD2266G-M,BM6101FV-C,MMBZ20VAL,BD80C0AFP-C,BD50C0AHFP-C,BDJ0GA3MEFJ-M,RFN10BM6S,RB511SM-40,VS11VUA1LAM,ML9092-01,BD50C0AFP-C,RBQ10NS45A,RFN10T2D,RF101LAM2S,BM61S41RFV-C,RB088T-60,SML-D14DW,RB501VM-40,RB168L100,BD1HC500HFN-C,BAS40-06HM,2SAR553P,RF2001NS3D,BV1LC150EFJ-C,ML86V8401,RJK005N03,BD9SXXX,EMB4FHAT2R,SML-Y18U2TC,SMLM22BN1T,BD33C0AFP,BD15HA3MEFJ-M,BD90302NUF-C,BD46EXX5G-M 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84,BU18JA2VG-C,BD37068FV-M,2S

选型指南 - ROHM - Ver.2.5 - 2019年09月 PDF 中文下载

SiC MOSFET低边开关导通时的Gate-Source间电压的动作

本文利用公式和示意图形式介绍SiC MOSFET低边开关导通时的Gate-Source间电压的动作。

技术探讨发布时间 : 2024-07-21

晟矽微电子（SINOMCU）8位&32位通用MCU/触摸MCU/2.4G无线传输芯片选型指南

目录- 公司简介 FLASH GPIO ADC TOUCH 2.4G IR 应用领域和工具选型

型号- MC32F7132,MC32P5232,MC32P8141,MS60F3125,MC9902,MS51F7085,MS8040,MS60F3126,MS8042,MC51F8124,MC30P6310,MC32F7361,MC30P6080,MS60F3015,MS32F031A6,MS60F3215,MC32P5222,MC32F7082,MC30P6201,MC30P6280,MC35P7041,MC30P6240,MC35P7040,MC32P7311,MS32F7362,MS32F7361,MS60F3026,MC32P7351,MC32P7031,MS60F2016,MC51F7094,MC31P5120,MS60F2018,MC30F6920,MC51F8144,MC32F7072,MC32F7073,MC2411,MC2412,MC30P6290,MC2410,MC30P6250,MC35P7050,MC32F7343,MS51F003A4,MS60F3115,MC30F6910,MC32F7062,MC32F8152,MC51F003A4,MC51F7424,MC30P6060,MC30P8160

选型指南 - 晟矽微电子 - V5.1 - 2023/4/13 PDF 中文下载查看更多版本

复旦微电子（FMSH）MCU产品选型指南

描述- 从上世纪90年代初开始，深耕智能电表领域二十余年，成为智能电表专用MCU领域的领头羊。公司在不断推出满足市场需求的低功耗MCU产品系列的同时，也在不断完善产品的生态系统，致力于为客户提供可靠性高、平台化优、易用性强、资源丰富的MCU产品。目前复旦微MCU已广泛应用于智能电表、汽车电子、智能水气热表、工业控制、仪器仪表、电机驱动、传感检测、家用电器、消费电子、健康医疗、智能家居、物联网、新能源等多个领域。

型号- FM33M0XX系列,FM33LC045N,FM33LG023A,MG33M068ER,MG33M026ER,FM3316,FM3318,FM33FR045,MG33A045EV,FM33FT056A,FM33A0XXEV系列,FM33FR046,FM33FR043,FM33FR044,FM33FT028A,FM33LE0XXEVB系列,FM33A065EVB,FM33LE0XXA SERIES,FM33A0610EVB,FM33A0XXEV SERIES,FM33A0XX系列,FM33LC046N,MG33M0410ER,FM33A0410EV,FM33KF5XX,FM33LC022N,FM33LG0XXA,FM33FR056,FM33A0XXEVB系列,FM33FR054,FM33FR055,FM33FR053,FM33LG0XXEV系列,MG33M0XXER系列,FM33FR0XX SERIES,FM33A068EVB,FM33FR048,FM33LE0XX SERIES,MG33M0610ER,FM33LG048A,FM33LE0XXA系列,FM33LG0XX系列,MG33M046ER,FM33LG013A,FM33LC015N,FM33LG025A,FM33LC043N,FM33FR023,FM33FR024,FM33FT046A,FM33LC015M,FM33FT058A,FM33M0XX,FM3308,FM33A065EV,FM33LG0XX,FM33LC016N,FM33FR028,FM33FR026,FM33KT5XX,FM33LE015A,FM33A0XXEV,FM33LG026A,FM33LC0XXM SERIES,FM33LC0XXU SERIES,FM33FT0XXA SERIES,FM33L0XX,FM33LC013N,FM33LC025N,MG33M066ER,FM33G0XX系列,FM3316系列,FM33FT0XXA,FM33FT0XXA系列,FM33FR0XX,MG33M0XXER SERIES,FM33LG0XX SERIES,FM23XX,FM33FT048A,FM33LE015,FM33LE016,FM33LG0XXEV,FM33LE012,FM33LE013,MG33M028ER,FM33LG015A,FM33LC044NR,FM33LC0XXU,FM33LC026N,FM33LC042N,FM33A068EV,FM33FR0510,MG33M0XXER,FM33LE0XX系列,FM33FT0510A,MG33M0XX,FM33LE0XX,FM33LG025,FM33LG026,FM33G0XX,FM33LC0XXN SERIES,FM33LE013A,FM33LE025A,FM33LG016A,FM33LG0XXA SERIES,FM33LC023N,FM33LG045A,MG33M048ER,FM33FR0XX系列,FM33A048EVB,FM331X,FM33A0XXEVB,FM33A0XXEVB SERIES,FM33A0410EVB,FM33LE0XXA,FM33LF0XX,FM33FT026A,FM33LE0XXEVB,FM33FR058,FM33LC046U,FM33A0610EV,MG33A045EVB,FM33LC0XXN,FM33LC012N,FM33A048EV,FM33LC012M,FM33LG046A,FM33LC0XX系列,FM33LC0XXM,FM33LE023A,FM33LG045,FM23XX系列,FM33A0XX,FM33LE026,FM33LC0XX,FM33LG0XXA系列,FM33LE022,FM33LE023,FM33LG046,FM33L0XX系列,FM33LE025,FM33LG048,FM33LC023U

选型指南 - 复旦微电子 - 2022/10/31 PDF 中文下载

当SiC MOSFET桥式电路开关时产生的电流和电压是怎样的？

技术探讨发布时间 : 2024-07-20

Holychip（芯圣电子）MCU及MCU周边芯片选型指南

描述- 上海芯圣电子股份有限公司(Holychip)是一家专注于芯片设计研发和销售的集成电路设计企业，专业从事MCU及MCU周边芯片的研发和销售，致力于为客户提供高性能、高性价比的芯片产品、应用开发工具和系统解决方案。公司MCU及MCU周边芯片通用性强，性能优异，广泛应用于消费电子、智慧家电、智能照明、安防消防、工控医疗、汽车电子、IOT物联、通讯和PC等行业，为众多知名终端品牌提供专业的芯片产品和系统解决方案。

型号- HC20LO2030,SQ333,HC20OP0358,HC18P133L,HC32AT系列,HC20MD1225,HC89S105AC8T7M,HC89F3541B,AO3407,HC32F407VG,HC89F3531,HC20LO0012,HC89F0541,AO3401,HC20LO2033,AO3402,HC89S5840,HC89S003BF6P7M,YK2302A,AO3400,HC89F0411A,HC89F301C,HC18M303D,HC20LO1117-33,2N7002K,HC32F103BRB,HT66F0195,HC-ICD V4,YK3407,HC15P013A0,HC89F3541,HC89F3421,YK3401,HC32AT3781,HCP2019-5,HC89F0312,AO3415,SQL6970A2,HC89S105AK8T7CM,SQL6970A1,STM8S105K3,HC89S003AF4U7M,STM8S105S6,HC20LO0018,STM8S105S4,HC89F302C,HC18M302D,STM8S005C6,STM8S105K6,STM8S105K4,HC18M003,HC88T3681,HC89M7102,APM2306,HC89M7101,HC18M002,HC89M7103,STM8S003K3,HC60W2401,SQ3400,HC32F407系列,HC89F0421A,SQL6980A2,HC18P015B0,SQL6980A1,SQL6967,HC20CD4056,HC89S003BF6U7M,SQL6966,HC20LO1117-50,HC20CD4054,SQ2301A,HC89S001AJ4M7,HC20MD2012,HC32F030,HC20MD2011,HC32T3031,HC89S103K6T6,HC20LO1050,HC20MD2002,FDV301N,HC20BS6055,SQL4256,HC8M2401,HC20LO2025,HC89F0531,HT66F0185,BSS138K,HC88L051F4P7,HC8M603-SSOP20,YK2301A,SQL6973A2,SQL6973A1,HC8M603-SSOP24,HC16P100B1,HC20MD2001,HC18P018A0,N76E003AQ20,HC89S003AF4P7M,HC89S105AS8T7CM,HC20LO0050,HC18P110B0,HC88T3661,HC89F3521B,HCP2019-AD,HC20LO1025,HC-PM51 V5,HC15P121B1,HC32F407RG,HC32F103BVB,HC89F0431A,STM8L051F3,SQ2711L,HC8P2401L,SQL5811,SQL5810,HC16P122A1,HC20CD4156,HC20OP0324,HC20LO1150,S3F9454,HC88T3671,HC8M612-SOP16,HC32F030BK6,HC32T3051,SQ3407,HC18P235L,HC20LO1033,HC60W2401L,HC20LO1030,SQ3401,HC32F407,HC18P015A0,STM8S103K3,HC32F103系列,SQL6972A2,SQ2302A,SQL6972A1,HC16P122B1,SQL583,HC32F030BC8,HC-PM18 V5,STM8S005K6,HC8AT3541,HC20LO2050,XP152A,STM8S105C6,HC89F3531B,HC20LO1125,SQ7002,HC88L051F4U7,IRLML6402,HC20LO0033,IRLML6401,HC-LINK V4,AO3423,HC32F030BR8,HC89F0322,HC18M5830,HC20LO0030,HC89F303C,HC18M301D,AP2301,HC20LO1117-15,HC20LO1117-AD,AP2306,SI2307,STM8S003F3,SI2306,HC18P110A0,HC18P233L,HC20MD1115,HC32AT,SQL5820,HC20LO1133,STM8S001J3,HC89F0332,HC20LO1130,HC32F103BCB,SQL6971A1,WNM2306,SQL5822,SQL6990A1,HC32F103,HC32F407ZG,SQL6971A2,HC20LO1117-20,SI2301,HC32F030系列,HC20LO1117-25

选型指南 - HOLYCHIP - 2023/4/11 PDF 中文下载

芯圣（Holychip）ARM MCU选型表

基于ARM Cortex-M0内核，HC32F系列通用32位单片机产品，适用1.8~5.5V的宽电压范围,- 40 °C至105°C工业级温度范围，内建1个12位ADC，7个通用16位定时器和1个高级控制PWM定时器，提供2个IIC、2个SPI、2个USART通信接口，以及用于远程控制的红外接口（IRTIM），并且内部集成了温度传感器。基于RISC内核的HC18系列通用8位单片机产品，适用2.0~5.5V的宽电压范围,- 40 °C至85°C消费级温度范围，内建ADC单元和PWM模块，集成UART和I2C等丰富的接口外设。该两系列产品具有丰富的外设资源, 高精度内部振荡器,具备高抗干扰能力,并具有低功耗、高性能、高集成度以及可快速移植的优点。广泛适用于控制和用户界面、手持设备、A/V 接收器、PC 外设、游戏平台、消费者电器用具、打印机、报警系统等应用场景。