用SiC驅動大功率電燈或電動機

改變大功率電燈或電動機亮度的最佳技術之一就是脈寬調製（PWM）。在汽車電子系統中，一段時間以來，控制單元已使用PWM命令來對各種執行器進行控制和管理。例如，柴油機壓力調節器、電風扇和前照燈的亮度就採用PWM信號進行管理。利用周期性信號驅動負載，電路的效率就非常高，所有產生的功率就都能傳輸到負載，也即損耗幾乎為零。通過使用SiC MOSFET作為開關元件，總效率將會更高。QIsednc

設備

本文要講的電路是一個簡單的DC電源穩壓器，可承受24V的強大負載。顯然，電壓可以通過調整PCB的特性來進行改變。它可以用於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執行。電源的調節操作通過兩個按鈕管理。佔空比的大小通過一個LED二極體監控。QIsednc

PWM信號

PWM信號是具有可變「佔空比」的方波（圖1），可以通過調製佔空比而利用它來控制電氣負載（在本例中為執行器或電動機）所吸收的功率。PWM信號的特徵是固定頻率和可變佔空比。「佔空比」是方波呈現「高」電平的時間與周期T之比，其中「T」是頻率的倒數：T=1/f。例如：QIsednc

• 50%佔空比所對應的方波，在50%的時間內保持高電平，而在其餘50%的時間內保持低電平；
• 10%佔空比所對應的方波，在10%的時間內保持高電平，而在其餘90%的時間內保持低電平；
• 90%佔空比所對應的方波，在90%的時間內保持高電平，而在其餘10%的時間內保持低電平；
• 100%佔空比所對應的信號始終為高電平；
• 0%佔空比所對應的信號始終為低電平。

為了更清楚起見，如果考慮上述最後兩種情況，則佔空比等於0%表示脈衝持續時間為零（實際上是無信號），而接近100%的值表示最大信號傳輸，也即受控設備獲得完整、恆定的電源。QIsednc

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圖1：PWM信號及其對負載的影響。QIsednc

方框圖

圖2給出了該系統的框圖。MCU管理邏輯操作並接收操作員下發的命令。它還能產生PWM（小功率）信號而驅動預驅動器。後者將電流信號放大並將其傳遞給驅動器，進而控制負載。QIsednc

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圖2：系統框圖。QIsednc

電氣原理圖

在圖3中可以看到接線圖。該系統採用大約30V的電壓供電。然後通過三個穩壓器（7824、7812和7805）降低到5V而用於MCU邏輯。與只使用7805相比，這種技術可以限制熱量。PIC 12F675的GP0埠驅動有一個LED二極體，而用作PWM信號的監控器。GP1埠對由IRL540功率MOSFET組成的預驅動器進行控制——這特別適用於使用MCU的應用，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進行驅動，對負載（電阻性或電感性）上的電流進行開關。兩個快速二極體可消除感性負載產生的過電壓。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的下拉電阻連接到MCU的GP4和GP5埠，如果不按下它們，就可以確保是低電位。QIsednc

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圖3：電氣原理圖。QIsednc

電子元器件

下面列出了電路的電子元器件。它們並不緊缺，可以在市場上輕鬆找到。圖4給出了各種元器件的引腳排列。QIsednc

• 電阻：
  • R1：330Ω
  • R2：10kΩ
  • R3：10kΩ
  • R4：100Ω
  • R5：10kΩ
  • R6：47kΩ
  • R7：220Ω，5W
• 電容：
  • C1：100nF
  • C2：100nF
  • C3：100nF
  • C4：100nF
  • C5：100nF
  • C6：100nF
  • C7：1,000µF電解電容
• 半導體
  • D1：紅光LED，5mm周長
  • D2：快恢復二極體RFN5TF8S
  • D3：快恢復二極體RFN5TF8S
  • Q1：MOSFET SiC UF3C065080T3S
  • Q2：MOSFET IRL540（非IRF540）
• 雜項：
  • U1：PIC12F675_P MCU
  • U2：LM7812CT穩壓器
  • U3：7805穩壓器
  • U4：LM7824CT穩壓器
  • F1：熔斷器，40A
  • J1：接線端子
  • J2：接線端子
  • S1：常開按鈕
  • S2：常開按鈕

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圖4：元器件引腳排列。QIsednc

PCB

要製作原型，就必須設計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來獲得更可靠、更專業的結果。一旦準備好基礎，就需要用與焊盤相對應的0.8mm或1mm的鑽頭鑽孔，從而增加與集成電路相關的焊盤的精度。要增加走線的厚度，實現更好的散熱，可以在它們上面熔化錫。QIsednc

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圖5：PCB。QIsednc

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，然後再繼續到較大的元件，例如接線端子、LED二極體、MOSFET、熔斷器和電解電容。應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。最後，需要注意集成電路及其插座的引腳排列。QIsednc

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圖6：元器件的布置和電路的3D視圖。QIsednc

固件

本文最後附有源程序列表（.BAS）——是使用GCB（Great Cow Basic）編譯器用BASIC語言編寫的——以及可執行文件（.HEX）。在對保險絲和I/O埠進行初始配置之後，就會進入無限循環，檢查兩個按鈕的邏輯狀態。按下第一個按鈕，佔空比就會減小；按下第二個按鈕，佔空比就會增加。佔空比的百分比有10%、30%、50%、70%和90%。當然，也可以根據程序規範添加其他值。由於PIC內部時鐘的速度較低（4MHz），因此無法通過變量來參數化等待狀態的定時。相反，則是已經創建了具有不同百分比佔空比的專用子程序。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化並對代碼進行優化。低頻率的PWM可能會在感性負載上產生聲音提示。但是，在電阻負載上不存在該問題。QIsednc

電路仿真

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

• MCU的GPIO1埠上的PWM信號
• MOSFET IRL540的漏極上的PWM信號
• SiC MOSFET UF3C065080T3S的漏極上的PWM信號

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圖7：不同點的PWM信號波形圖。QIsednc

圖8給出了在各種佔空比百分比（10%、30%、50%、70%、90%）下，MCU輸出處的PWM信號的波形圖。QIsednc

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圖8：不同佔空比百分比下的波形圖。QIsednc

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，預驅動器的存在會使其降低。圖9給出了電路總效率的曲線圖，具體取決於施加到輸出的負載。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。QIsednc

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圖9：電路效率與所加負載的關係。QIsednc

在元件導通期間，直接從電路的各個工作點測量SiC MOSFET的R_DS(on)值非常有趣。根據歐姆定律，有：QIsednc

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圖10對官方數據手冊中所給的值進行了確認。QIsednc

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圖10：SiC MOSFET的R_DS(on)值的測量。QIsednc

UF3C065080T3S SiC MOSFET

UnitedSiC公司的共源共柵產品將其高性能G3 SiC JFET與經過共源共柵優化的MOSFET封裝在一起，從而生產出了當今市場上唯一的標準柵極驅動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特性。當與推薦的RC緩衝器一起使用時，這些器件非常適合對感性負載進行開關，並且它們也非常適合任何需要標準柵極驅動的應用。其特點包括：QIsednc

• R_DS(on)典型值為80mΩ
• 最高工作溫度為175℃
• 出色的反向恢復特性
• 低柵極電荷
• 低固有電容
• ESD保護，HBM 2級

它的典型應用有：QIsednc

• 電動汽車充電
• 光伏逆變器
• 開關電源
• 功率因數校正模塊
• 電機驅動
• 感應加熱

由於本文隨附有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。QIsednc

總結

PWM控制可以對電動執行器（例如電機和電燈）獲得更好的定性性能。儘管可以隨意改變亮度，但是光的質量更好。即使在低轉速下，發動機扭矩也很高。本文介紹的電路主要用於指導，並為對該領域的進一步研究奠定了基礎。熟悉PWM很有用。顯然，設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。QIsednc

（原文刊登於EDN姐妹網站EEWeb，參考連結：Driving a Powerful Lamp or Motor with SiC）QIsednc

本文為《電子技術設計》2020年6月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。免費雜誌訂閱申請點擊這裡。QIsednc