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）,。在汽車電子系統(tǒng)中,，一段時(shí)間以來,，控制單元已使用PWM命令來對(duì)各種執(zhí)行器進(jìn)行控制和管理,。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,。通過使用SiC MOSFET作為開關(guān)元件,，總效率將會(huì)更高。

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）,。在汽車電子系統(tǒng)中,，一段時(shí)間以來，控制單元已使用PWM命令來對(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,。通過使用SiC MOSFET作為開關(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，電壓可以通過調(diào)整PCB的特性來進(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)操作通過兩個(gè)按鈕管理,。占空比的大小通過一個(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），可以通過調(diào)制占空比而利用它來控制電氣負(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,，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)行開關(guān),。兩個(gè)快速二極管可消除感性負(fù)載產(chǎn)生的過電壓,。也可以不使用它們，因?yàn)镾iC 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(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(jì)PCB,，其走線如圖5所示,。即使其非常簡單，我們也強(qiáng)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(zhǔn)備好基礎(chǔ)，就需要用與焊盤相對(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(shí)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(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），因此無法通過變量來參數(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)載上不存在該問題,。

電路仿真

觀察電路在開關(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M(jìn)OSFET 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(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(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)汽車充電

光伏逆變器

開關(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,，以免電路過熱。