如何设计电路对大功率电灯或电动机上电流进行调节

　　本文将会展示如何设计一种电路，来对大功率电灯或电动机上的电流进行调节。该设备采用 MCU 工作，可确保用 PWM 信号来驱动电力负载。开关元件以 SiC MOSFET 为代表。
　　改变大功率电灯或电动机亮度的最佳威廉希尔官方网站 之一就是脉宽调制（PWM）。在汽车电子系统中，一段时间以来，控制单元已使用PWM 命令来对各种执行器进行控制和管理。例如，柴油机压力调节器、电风扇和前照灯的亮度就采用 PWM信号进行管理。利用周期性信号驱动负载，电路的效率就非常高，所有产生的功率就都能传输到负载，也即损耗几乎为零。通过使用 SiCMOSFET 作为开关元件，总效率将会更高。
　　设备
　　本文要讲的电路是一个简单的 DC 电源稳压器，可承受 24V 的强大负载。显然，电压可以通过调整 PCB 的特性来进行改变。它可以用于改变灯的亮度或加快或降低 DC 电动机的速度。逻辑操作由 MCU 执行。电源的调节操作通过两个按钮管理。占空比的大小通过一个 LED 二极管监控。
　　PWM 信号
　　PWM 信号是具有可变“占空比”的方波（图 1），可以通过调制占空比而利用它来控制电气负载（在本例中为执行器或电动机）所吸收的功率。PWM 信号的特征是固定频率和可变占空比。“占空比”是方波呈现“高”电平的时间与周期 T 之比，其中“T”是频率的倒数：T=1/f。例如：
　　50%占空比所对应的方波，在 50%的时间内保持高电平，而在其余 50%的时间内保持低电平；
　　10%占空比所对应的方波，在 10%的时间内保持高电平，而在其余 90%的时间内保持低电平；
　　90%占空比所对应的方波，在 90%的时间内保持高电平，而在其余 10%的时间内保持低电平；
　　100%占空比所对应的信号始终为高电平；
　　0%占空比所对应的信号始终为低电平。
　　为了更清楚起见，如果考虑上述最后两种情况，则占空比等于 0%表示脉冲持续时间为零（实际上是无信号），而接近 100%的值表示最大信号传输，也即受控设备获得完整、恒定的电源。
　　
　　图 1：PWM 信号及其对负载的影响。
　　方框图
　　图 2 给出了该系统的框图。MCU 管理逻辑操作并接收操作员下发的命令。它还能产生 PWM（小功率）信号而驱动预驱动器。后者将电流信号放大并将其传递给驱动器，进而控制负载。
　　
　　图 2：系统框图。
　　电气原理图
　　在图 3 中可以看到接线图。该系统采用大约 30V 的电压供电。然后通过三个稳压器（7824、7812 和 7805）降低到 5V 而用于 MCU 逻辑。与只使用 7805 相比，这种威廉希尔官方网站 可以限制热量。PIC 12F675 的 GP0 端口驱动有一个 LED 二极管，而用作 PWM 信号的监控器。GP1 端口对由 IRL540 功率 MOSFET组成的预驱动器进行控制——这特别适用于使用 MCU 的应用，因为此时供给“栅极”的能量非常低。第一个 MOSFET 的“漏极”端子对第二个 SiC MOSFET 进行驱动，对负载（电阻性或电感性）上的电流进行开关。两个快速二极管可消除感性负载产生的过电压。也可以不使用它们，因为 SiC MOSFET 受到了很好的保护，但是最好还是考虑使用它们。如果使用电阻性负载，则可以将它们从电路中去掉。两个常开按钮通过相应的下拉电阻连接到 MCU 的 GP4 和 GP5 端口，如果不按下它们，就可以确保是低电位。
　　
　　图 3：电气原理图。
　　电子元器件
　　下面列出了电路的电子元器件。它们并不紧缺，可以在市场上轻松找到。图 4 给出了各种元器件的引脚排列。
　　电阻：
　　R1：330Ω
　　R2：10kΩ
　　R3：10kΩ
　　R4：100Ω
　　R5：10kΩ
　　R6：47kΩ
　　R7：220Ω，5W
　　电容：
　　C1：100nF
　　C2：100nF
　　C3：100nF
　　C4：100nF
　　C5：100nF
　　C6：100nF
　　C7：1，000µF 电解电容
　　半导体
　　D1：红光 LED，5mm 周长
　　D2：快恢复二极管 RFN5TF8S
　　D3：快恢复二极管 RFN5TF8S
　　Q1：MOSFET SiC UF3C065080T3S
　　Q2：MOSFET IRL540（非 IRF540）
　　杂项：
　　U1：PIC12F675_P MCU
　　U2：LM7812CT 稳压器
　　U3：7805 稳压器
　　U4：LM7824CT 稳压器
　　F1：熔断器，40A
　　J1：接线端子
　　J2：接线端子
　　S1：常开按钮
　　S2：常开按钮
　　
　　图 4：元器件引脚排列。
　　PCB
　　要制作原型，就必须设计 PCB，其走线如图 5 所示。即使其非常简单，我们也强烈建议使用光刻威廉希尔官方网站 来获得更可靠、更专业的结果。一旦准备好基础，就需要用与焊盘相对应的 0.8mm 或 1mm 的钻头钻孔，从而增加与集成电路相关的焊盘的精度。要增加走线的厚度，实现更好的散热，可以在它们上面熔化锡。
　　
　　图 5：PCB。
　　组件
　　下面就可以开始焊接元器件（图 6）。首先从低矮的元件开始，例如电阻、电容和插座，然后再继续到较大的元件，例如接线端子、LED 二极管、MOSFET、熔断器和电解电容。应特别注意有极性元件。焊接时要使用功率约为 30W 的小型烙铁，注意不要使不能承受过多热量的电子元件过热。最后，需要注意集成电路及其插座的引脚排列。
　　
　　图 6：元器件的布置和电路的 3D 视图。
　　固件
　　本文最后附有源程序列表（.BAS）——是使用 GCB（Great Cow Basic）编译器用 BASIC 语言编写的——以及可执行文件（.HEX）。在对保险丝和 I/O 端口进行初始配置之后，就会进入无限循环，检查两个按钮的逻辑状态。按下第一个按钮，占空比就会减小；按下第二个按钮，占空比就会增加。占空比的百分比有 10%、30%、50%、70%和 90%。当然，也可以根据程序规范添加其他值。由于 PIC 内部时钟的速度较低（4MHz），因此无法通过变量来参数化等待状态的定时。相反，则是已经创建了具有不同百分比占空比的专用子程序。在这种情况下，由固件生成的 PWM 信号的频率约为 2kHz。使用更快速的 PIC 可以对等待暂停进行参数化并对代码进行优化。低频率的 PWM 可能会在感性负载上产生声音提示。但是，在电阻负载上不存在该问题。
　　电路仿真
　　观察电路在开关点的行为以及研究 SiC MOSFET 的工作非常有趣。图 7 给出了以下几点在占空比为 50%时的 PWM 信号波形图：
　　MCU 的 GPIO1 端口上的 PWM 信号
　　MOSFET IRL540 的漏极上的 PWM 信号
　　SiC MOSFET UF3C065080T3S 的漏极上的 PWM 信号
　　
　　图 7：不同点的 PWM 信号波形图。
　　图 8 给出了在各种占空比百分比（10%、30%、50%、70%、90%）下，MCU 输出处的 PWM 信号的波形图。
　　
　　图 8：不同占空比百分比下的波形图。
　　电路效率
　　就功率传输而言，使用 SiC MOSFET 时效率非常高。这个效率通常可以认为不错，但不幸的是，预驱动器的存在会使其降低。图 9 给出了电路总效率的曲线图，具体取决于施加到输出的负载。为了提高电路效率，可以尝试略微提高 MOSFET IRL540 漏极电阻 R7 的值，确保 SiC MOSFET 的闭合没有问题。
　　
　　图 9：电路效率与所加负载的关系。
　　在元件导通期间，直接从电路的各个工作点测量 SiC MOSFET 的 RDS（on）值非常有趣。根据欧姆定律，有：
　　
　　图 10 对官方数据手册中所给的值进行了确认。
　　
　　图 10：SiC MOSFET 的 RDS（on）值的测量。
　　UF3C065080T3S SiC MOSFET
　　UnitedSiC 公司的共源共栅产品将其高性能 G3 SiC JFET 与经过共源共栅优化的 MOSFET 封装在一起，从而生产出了当今市场上唯一的标准栅极驱动 SiC 器件。该系列不仅具有极低的栅极电荷，而且在类似额定值的任何器件中具有最佳反向恢复特性。当与推荐的 RC 缓冲器一起使用时，这些器件非常适合对感性负载进行开关，并且它们也非常适合任何需要标准栅极驱动的应用。其特点包括：
　　RDS（on）典型值为 80mΩ
　　最高工作温度为 175℃
　　出色的反向恢复特性
　　低栅极电荷
　　低固有电容
　　ESD 保护，HBM 2 级
　　它的典型应用有：
　　电动汽车充电
　　光伏逆变器
　　开关电源
　　功率因数校正模块
　　电机驱动
　　感应加热
　　由于本文随附有 SPICE 文件，因此可以将 SiC MOSFET 与最重要的电子仿真程序一起使用。
　　总结
　　PWM 控制可以对电动执行器（例如电机和电灯）获得更好的定性性能。尽管可以随意改变亮度，但是光的质量更好。即使在低转速下，发动机扭矩也很高。本文介绍的电路主要用于指导，并为对该领域的进一步研究奠定了基础。熟悉 PWM 很有用。显然，设计人员可以在功率和效率上进行改进。但是，建议不要将提供的功率移到最大，以免电路过热。