本文將會(huì)展示如何設(shè)計(jì)一種電路，來(lái)對(duì)大功率電燈或電動(dòng)機(jī)上的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。該設(shè)備采用 MCU 工作，可確保用 PWM 信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電力負(fù)載。開(kāi)關(guān)元件以 SiC MOSFET 為代表。

改變大功率電燈或電動(dòng)機(jī)亮度的最佳技術(shù)之一就是脈寬調(diào)制（PWM）。在汽車(chē)電子系統(tǒng)中，一段時(shí)間以來(lái)，控制單元已使用 PWM 命令來(lái)對(duì)各種執(zhí)行器進(jìn)行控制和管理。例如，柴油機(jī)壓力調(diào)節(jié)器、電風(fēng)扇和前照燈的亮度就采用 PWM 信號(hào)進(jìn)行管理。利用周期性信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)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?fù)載，也即損耗幾乎為零。通過(guò)使用 SiC MOSFET 作為開(kāi)關(guān)元件，總效率將會(huì)更高。

設(shè)備
本文要講的電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的 DC 電源穩(wěn)壓器，可承受 24V 的強(qiáng)大負(fù)載。顯然，電壓可以通過(guò)調(diào)整 PCB 的特性來(lái)進(jìn)行改變。它可以用于改變燈的亮度或加快或降低 DC 電動(dòng)機(jī)的速度。邏輯操作由 MCU 執(zhí)行。電源的調(diào)節(jié)操作通過(guò)兩個(gè)按鈕管理。占空比的大小通過(guò)一個(gè) 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），可以通過(guò)調(diào)制占空比而利用它來(lái)控制電氣負(fù)載（在本例中為執(zhí)行器或電動(dòng)機(jī)）所吸收的功率。PWM 信號(hào)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(shí)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(duì)應(yīng)的方波，在 50%的時(shí)間內(nèi)保持高電平，而在其余 50%的時(shí)間內(nèi)保持低電平；

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

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

100%占空比所對(duì)應(yīng)的信號(hào)始終為高電平；

0%占空比所對(duì)應(yīng)的信號(hào)始終為低電平。

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

圖 1：PWM 信號(hào)及其對(duì)負(fù)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(hào)而驅(qū)動(dòng)預(yù)驅(qū)動(dòng)器。后者將電流信號(hào)放大并將其傳遞給驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制負(fù)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(guò)三個(gè)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(dòng)有一個(gè) LED 二極管，而用作 PWM 信號(hào)的監(jiān)控器。GP1 端口對(duì)由 IRL540 功率 MOSFET 組成的預(yù)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制——這特別適用于使用 MCU 的應(yīng)用，因?yàn)榇藭r(shí)供給“柵極”的能量非常低。第一個(gè) MOSFET 的“漏極”端子對(duì)第二個(gè) SiC MOSFET 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)負(fù)載（電阻性或電感性）上的電流進(jìn)行開(kāi)關(guān)。兩個(gè)快速二極管可消除感性負(fù)載產(chǎn)生的過(guò)電壓。也可以不使用它們，因?yàn)?SiC MOSFET 受到了很好的保護(hù)，但是最好還是考慮使用它們。如果使用電阻性負(fù)載，則可以將它們從電路中去掉。兩個(gè)常開(kāi)按鈕通過(guò)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(chǎng)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(zhǎng)

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(xiàng)：
U1：PIC12F675_P MCU

U2：LM7812CT 穩(wěn)壓器

U3：7805 穩(wěn)壓器

U4：LM7824CT 穩(wěn)壓器

F1：熔斷器，40A

J1：接線端子

J2：接線端子

S1：常開(kāi)按鈕

S2：常開(kāi)按鈕

圖 4：元器件引腳排列。

PCB
要制作原型，就必須設(shè)計(jì) PCB，其走線如圖 5 所示。即使其非常簡(jiǎn)單，我們也強(qiáng)烈建議使用光刻技術(shù)來(lái)獲得更可靠、更專(zhuān)業(yè)的結(jié)果。一旦準(zhǔn)備好基礎(chǔ)，就需要用與焊盤(pán)相對(duì)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(pán)的精度。要增加走線的厚度，實(shí)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(kāi)始焊接元器件（圖 6）。首先從低矮的元件開(kāi)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(shí)要使用功率約為 30W 的小型烙鐵，注意不要使不能承受過(guò)多熱量的電子元件過(guò)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(yǔ)言編寫(xiě)的——以及可執(zhí)行文件（.HEX）。在對(duì)保險(xiǎn)絲和 I/O 端口進(jìn)行初始配置之后，就會(huì)進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，檢查兩個(gè)按鈕的邏輯狀態(tài)。按下第一個(gè)按鈕，占空比就會(huì)減?。话聪碌诙€(gè)按鈕，占空比就會(huì)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(shí)鐘的速度較低（4MHz），因此無(wú)法通過(guò)變量來(lái)參數(shù)化等待狀態(tài)的定時(shí)。相反，則是已經(jīng)創(chuàng)建了具有不同百分比占空比的專(zhuān)用子程序。在這種情況下，由固件生成的 PWM 信號(hào)的頻率約為 2kHz。使用更快速的 PIC 可以對(duì)等待暫停進(jìn)行參數(shù)化并對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化。低頻率的 PWM 可能會(huì)在感性負(fù)載上產(chǎn)生聲音提示。但是，在電阻負(fù)載上不存在該問(wèn)題。

電路仿真
觀察電路在開(kāi)關(guān)點(diǎn)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(diǎn)在占空比為 50%時(shí)的 PWM 信號(hào)波形圖：

MCU 的 GPIO1 端口上的 PWM 信號(hào)

MOSFET IRL540 的漏極上的 PWM 信號(hào)

SiC MOSFET UF3C065080T3S 的漏極上的 PWM 信號(hào)

圖 7：不同點(diǎn)的 PWM 信號(hào)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(hào)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(shí)效率非常高。這個(gè)效率通?？梢哉J(rèn)為不錯(cuò)，但不幸的是，預(yù)驅(qū)動(dòng)器的存在會(huì)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(fù)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(méi)有問(wèn)題。

圖 9：電路效率與所加負(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 RDS(on)值非常有趣。根據(jù)歐姆定律，有：

圖 10 對(duì)官方數(shù)據(jù)手冊(cè)中所給的值進(jìn)行了確認(rèn)。

圖 10：SiC MOSFET 的 RDS(on)值的測(cè)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(guò)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(chǎng)上唯一的標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng) SiC 器件。該系列不僅具有極低的柵極電荷，而且在類(lèi)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(shí)，這些器件非常適合對(duì)感性負(fù)載進(jìn)行開(kāi)關(guān)，并且它們也非常適合任何需要標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。其特點(diǎn)包括：

RDS(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(hù)，HBM 2 級(jí)

它的典型應(yīng)用有：
電動(dòng)汽車(chē)充電

光伏逆變器

開(kāi)關(guān)電源

功率因數(shù)校正模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

感應(yīng)加熱

由于本文隨附有 SPICE 文件，因此可以將 SiC MOSFET 與最重要的電子仿真程序一起使用。

總結(jié)

PWM 控制可以對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器（例如電機(jī)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(dòng)機(jī)扭矩也很高。本文介紹的電路主要用于指導(dǎo)，并為對(duì)該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。熟悉 PWM 很有用。顯然，設(shè)計(jì)人員可以在功率和效率上進(jìn)行改進(jìn)。但是，建議不要將提供的功率移到最大，以免電路過(guò)熱。