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改變大功率電燈或電動機亮度的最佳技術(shù)之一就是脈寬調(diào)制（PWM）。在汽車電子系統(tǒng)中，一段時間以來，控制單元已使用PWM命令來對各種執(zhí)行器進行控制和管理。例如，柴油機壓力調(diào)節(jié)器、電風(fēng)扇和前照燈的亮度就采用PWM信號進行管理。利用周期性信號驅(qū)動負載，電路的效率就非常高，所有產(chǎn)生的功率就都能傳輸?shù)截撦d，也即損耗幾乎為零。通過使用SiC MOSFET作為開關(guān)元件，總效率將會更高。  
 

設(shè)備

本文要講的電路是一個簡單的DC電源穩(wěn)壓器，可承受24V的強大負載。顯然，電壓可以通過調(diào)整PCB的特性來進行改變。它可以用于改變燈的亮度或加快或降低DC電動機的速度。邏輯操作由MCU執(zhí)行。電源的調(diào)節(jié)操作通過兩個按鈕管理。占空比的大小通過一個LED二極管監(jiān)控。  
 

PWM信號

PWM信號是具有可變“占空比”的方波（ 圖1），可以通過調(diào)制占空比而利用它來控制電氣負載（在本例中為執(zhí)行器或電動機）所吸收的功率。PWM信號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%占空比所對應(yīng)的方波，在50%的時間內(nèi)保持高電平，而在其余50%的時間內(nèi)保持低電平；

• 10%占空比所對應(yīng)的方波，在10%的時間內(nèi)保持高電平，而在其余90%的時間內(nèi)保持低電平；

• 90%占空比所對應(yīng)的方波，在90%的時間內(nèi)保持高電平，而在其余10%的時間內(nèi)保持低電平；

• 100%占空比所對應(yīng)的信號始終為高電平；

• 0%占空比所對應(yīng)的信號始終為低電平。

  為了更清楚起見，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)時間為零（實際上是無信號），而接近100%的值表示最大信號傳輸，也即受控設(shè)備獲得完整、恒定的電源。  
 

圖1：PWM信號及其對負載的影響。

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）信號而驅(qū)動預(yù)驅(qū)動器。后者將電流信號放大并將其傳遞給驅(qū)動器，進而控制負載。  
 

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。然后通過三個穩(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)動有一個LED二極管，而用作PWM信號的監(jiān)控器。GP1端口對由IRL540功率MOSFET組成的預(yù)驅(qū)動器進行控制——這特別適用于使用MCU的應(yīng)用，因為此時供給“柵極”的能量非常低。第一個MOSFET的“漏極”端子對第二個SiC MOSFET進行驅(qū)動，對負載（電阻性或電感性）上的電流進行開關(guān)。兩個快速二極管可消除感性負載產(chǎn)生的過電壓。也可以不使用它們，因為SiC MOSFET受到了很好的保護，但是最好還是考慮使用它們。如果使用電阻性負載，則可以將它們從電路中去掉。兩個常開按鈕通過相應(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

• 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：

  
  

• U1：PIC12F675_P MCU

• U2：LM7812CT穩(wěn)壓器

• U3：7805穩(wěn)壓器

• U4：LM7824CT穩(wěn)壓器

• 1：熔斷器，40A

• J1：接線端子

• J2：接線端子

• S1：常開按鈕

• S2：常開按鈕

圖4：元器件引腳排列。

PCB

要制作原型，就必須設(shè)計PCB，其走線如 圖5所示。即使其非常簡單，我們也強烈建議使用光刻技術(shù)來獲得更可靠、更專業(yè)的結(jié)果。一旦準備好基礎(chǔ)，就需要用與焊盤相對應(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

下面就可以開始焊接元器件（ 圖6）。首先從低矮的元件開始，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。焊接時要使用功率約為30W的小型烙鐵，注意不要使不能承受過多熱量的電子元件過熱。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語言編寫的——以及可執(zhí)行文件（.HEX）。在對保險絲和I/O端口進行初始配置之后，就會進入無限循環(huán)，檢查兩個按鈕的邏輯狀態(tài)。按下第一個按鈕，占空比就會減小；按下第二個按鈕，占空比就會增加。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)部時鐘的速度較低（4MHz），因此無法通過變量來參數(shù)化等待狀態(tài)的定時。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信號的頻率約為2kHz。使用更快速的PIC可以對等待暫停進行參數(shù)化并對代碼進行優(yōu)化。低頻率的PWM可能會在感性負載上產(chǎn)生聲音提示。但是，在電阻負載上不存在該問題。  
 

電路仿真

觀察電路在開關(guān)點的行為以及研究SiC MOSFET的工作非常有趣。 圖7給出了以下幾點在占空比為50%時的PWM信號波形圖：

• MCU的GPIO1端口上的PWM信號

• MOSFET IRL540的漏極上的PWM信號

• SiC MOSFET UF3C065080T3S的漏極上的PWM信號

  
  

  
  

圖7：不同點的PWM信號波形圖。  
  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時效率非常高。這個效率通常可以認為不錯，但不幸的是，預(yù)驅(qū)動器的存在會使其降低。 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載。為了提高電路效率，可以嘗試略微提高MOSFET IRL540漏極電阻R7的值，確保SiC MOSFET的閉合沒有問題。  
 

圖9：電路效率與所加負載的關(guān)系。  
  在元件導(dǎo)通期間，直接從電路的各個工作點測量SiC MOSFET的R _DS(on)值非常有趣。根據(jù)歐姆定律，有：  
 

圖10對官方數(shù)據(jù)手冊中所給的值進行了確認。  
 

圖10：SiC MOSFET的R _DS(on)值的測量。

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)今市場上唯一的標準柵極驅(qū)動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，這些器件非常適合對感性負載進行開關(guān)，并且它們也非常適合任何需要標準柵極驅(qū)動的應(yīng)用。其特點包括：  
 

• R_DS(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，HBM 2級

  它的典型應(yīng)用有：

• 電動汽車充電

• 光伏逆變器

• 開關(guān)電源

• 功率因數(shù)校正模塊

• 電機驅(qū)動

• 感應(yīng)加熱

 

總結(jié)

PWM控制可以對電動執(zhí)行器（例如電機和電燈）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)動機扭矩也很高。本文介紹的電路主要用于指導(dǎo)，并為對該領(lǐng)域的進一步研究奠定了基礎(chǔ)。熟悉PWM很有用。顯然，設(shè)計人員可以在功率和效率上進行改進。但是，建議不要將提供的功率移到最大，以免電路過熱。