本文將會展示如何設計一種電路，來對大功率電燈或電動機上的電流進行調節。該設備采用 MCU 工作，可確保用 PWM 信號來驅動電力負載。開關元件以 SiC MOSFET 為代表。

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制（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采用 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。

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 執行。電源的調節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），可以通過調制占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 信號的特征是固定頻率和可變占空比。“占空比”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：

50%占空比所對應的方波，在 50%的時間內保持高電平，而在其余 50%的時間內保持低電平；

10%占空比所對應的方波，在 10%的時間內保持高電平，而在其余 90%的時間內保持低電平；

90%占空比所對應的方波，在 90%的時間內保持高電平，而在其余 10%的時間內保持低電平；

100%占空比所對應的信號始終為高電平；

0%占空比所對應的信號始終為低電平。

為了更清楚起見，如果考慮上述最后兩種情況，則占空比等于 0%表示脈沖持續時間為零（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、恒定的電源。

圖 1：PWM 信號及其對負載的影響。

方框圖
圖 2 給出了該系統的框圖。MCU 管理邏輯操作并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。后者將電流信號放大并將其傳遞給驅動器，進而控制負載。

圖 2：系統框圖。

電氣原理圖
在圖 3 中可以看到接線圖。該系統采用大約 30V 的電壓供電。然后通過三個穩壓器（7824、7812 和 7805）降低到 5V 而用于 MCU 邏輯。與只使用 7805 相比，這種技術可以限制熱量。PIC 12F675 的 GP0 端口驅動有一個 LED 二極管，而用作 PWM 信號的監控器。GP1 端口對由 IRL540 功率 MOSFET 組成的預驅動器進行控制——這特別適用于使用 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。兩個快速二極管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 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

半導體
D1：紅光 LED，5mm 周長

D2：快恢復二極管 RFN5TF8S

D3：快恢復二極管 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

圖 4：元器件引腳排列。

PCB
要制作原型，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 的鉆頭鉆孔，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。

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，檢查兩個按鈕的邏輯狀態。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%。當然，也可以根據程序規范添加其他值。由于 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化并對代碼進行優化。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。

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系。

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

圖 10 對官方數據手冊中所給的值進行了確認。

圖 10：SiC MOSFET 的 RDS(on)值的測量。

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 緩沖器一起使用時，這些器件非常適合對感性負載進行開關，并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：

RDS(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：
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

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。盡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于指導，并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。