【经验】 用SiC驱动大功率灯或电机的实例解析

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。