本文將建議如何創(chuàng)建一個能夠調(diào)節(jié)大功率燈或電機電流的電路。該器件與微控制器配合使用,保證 PWM 信號驅(qū)動電源負載。開關(guān)元件以 SiC MOSFET 為代表。
改變大功率燈或電機亮度的最佳技術(shù)之一是脈沖寬度調(diào)制 (PWM)。在汽車電子系統(tǒng)中,一段時間以來,控制單元使用 PWM 命令控制和管理各種執(zhí)行器。例如,柴油壓力調(diào)節(jié)器、電風(fēng)扇和大燈的亮度均由 PWM 信號管理。使用周期信號驅(qū)動負載,電路效率非常高,產(chǎn)生的功率全部傳輸?shù)截撦d,損耗幾乎為零。通過使用 SiC MOSFET 作為開關(guān)元件,總效率更高。
設(shè)備
所描述的電路是一個簡單的直流電源調(diào)節(jié)器,適用于 24 V 的大功率負載。通過明顯適應(yīng) PCB 的特性,可以改變電壓。它可用于改變燈的亮度或加快或減慢直流電機的速度。邏輯運算由微控制器執(zhí)行。電源的調(diào)節(jié)操作由兩個按鈕管理。占空比的數(shù)量由 LED 二極管監(jiān)控。
PWM 信號
PWM 信號是具有可變“占空比”的方波(圖 1),它允許您控制電氣負載(在本例中為執(zhí)行器或電動機)吸收的功率,從而調(diào)制占空比. PWM 信號具有固定頻率和可變占空比的特點?!罢伎毡取笔欠讲ǔ尸F(xiàn)“高”值的時間與周期 T 之間的比率,其中“T”是頻率的倒數(shù):T = 1/f。例如:
50% 的占空比對應(yīng)于一個方波,它在 50% 的時間內(nèi)保持高值,在剩余的 50% 中保持低值;
10% 的占空比對應(yīng)于一個方波,它在 10% 的時間內(nèi)保持高值,其余 90% 的時間保持低值;
90% 的占空比對應(yīng)于方波,它在 90% 的時間內(nèi)保持高值,其余 10% 的時間保持低值;
100% 占空比對應(yīng)于始終為高的信號;
0% 的占空比對應(yīng)于始終為低的信號。
為了更清楚起見,如果我們考慮提到的最后兩種情況,占空比等于 0% 表示脈沖持續(xù)時間為零——實際上,沒有信號——而接近 100% 的值表示最大信號傳輸,因此,受控設(shè)備的充分和恒定的電源。
圖 1:PWM 信號及其對負載的影響
框圖
圖2顯示了系統(tǒng)的框圖。微控制器管理邏輯操作并接收來自操作員的命令。它還生成驅(qū)動預(yù)驅(qū)動器的 PWM(低功耗)信號。后者放大電流信號并將其傳遞給控制負載的驅(qū)動器。
圖 2:系統(tǒng)框圖
電氣原理
圖見圖3,我們可以觀察接線圖。該系統(tǒng)由大約 30 V 的電壓供電。通過三個穩(wěn)壓器(7824、7812 和 7805)將 MCU 邏輯的電壓降至 5 V。與 7805 的獨特用途相比,這種技術(shù)可以限制熱量。PIC 12F675 的 GP0 端口驅(qū)動一個 LED 二極管,該二極管用作 PWM 信號的監(jiān)視器。GP1 端口控制由 IRL540 功率 MOSFET 組成的預(yù)驅(qū)動器,特別適用于帶有微控制器的應(yīng)用,其中“門”的能量非常低。第一個 MOSFET 的“漏極”端驅(qū)動第二個 SIC MOSFET 以切換負載上的電流(電阻或電感)。兩個快速二極管消除了感性負載產(chǎn)生的過電壓。你可以不用它們,因為 SIC MOSFET 得到了很好的保護,但最好考慮使用它們。如果使用電阻負載,它們可以從電路中消除。兩個常開按鈕通過相應(yīng)的下拉電阻連接到單片機的GP4和GP5端口,保證不按時為低電位。
圖 3:電氣原理圖
電子元件
下面列出了電路的電子元件。它們并不重要,很容易在市場上找到。圖 4顯示了各種組件的引腳排列。
電阻器:
R1:330Ω
R2:10kΩ
R3:10kΩ
R4:100Ω
R5:10kΩ
R6:47kΩ
R7:220Ω 5W
電容器:
C1:100 nF
C2:100 nF
C3:100 nF
C4:100 nF
C5:100 nF
C6:100 nF
C7:1,000 μF 電解
D1:紅色 LED 5 mm 圓形
D3:二極管快恢復(fù)RFN5TF8S
Q1:MOSFET 碳化硅 UF3C065080T3S
Q2:MOSFET IRL540(不是 IRF540)
各種各樣的:
U1:PIC12F675_P單片機
U2:LM7812CT穩(wěn)壓器
U3:7805穩(wěn)壓器
U4:LM7824CT穩(wěn)壓器
F1:保險絲 40 A
J1:接線端子
J2:接線端子
S1:按鈕常開
S2:按鈕常開
圖 4:組件的引腳分配
PCB
為了構(gòu)建原型,需要設(shè)計印刷電路,其走線如圖 5所示。即使我們強烈建議使用光刻技術(shù)來獲得更可靠和專業(yè)的結(jié)果,這也很簡單。一旦底座準備好,就需要用0.8毫米或1毫米的鉆頭與焊盤相對應(yīng)地鉆孔,增加與集成電路相關(guān)的焊盤的精度。為了增加軌道的厚度,更好地散熱,你可以在上面熔化錫。
圖 5:PCB
組裝
您可以繼續(xù)焊接組件(圖 6),從低剖面的組件開始,例如電阻器、電容器和插座,然后繼續(xù)焊接更大的組件,例如接線端子、LED 二極管、 MOSFET、保險絲和電解電容器。應(yīng)特別注意極化組件。焊接時,請使用功率約為 30 W 的小烙鐵,注意不要使無法承受過熱的電子元件過熱。最后,注意集成電路及其插座的引腳排列。
圖 6:元件排列和電路 3D 視圖
固件
本文隨附的源代碼清單 (.BAS) 是使用 BASIC 語言編寫的,使用 GCB 編譯器 (Great Cow Basic) 和可執(zhí)行文件 (.HEX)。在保險絲和 I/O 端口的初始配置之后,無限循環(huán)檢查兩個按鈕的邏輯狀態(tài)。通過按下第一個按鈕,占空比減小。另一方面,通過按下第二個按鈕,占空比增加。占空比的百分比為 10%、30%、50%、70% 和 90%。當(dāng)然,您可以根據(jù)程序規(guī)范添加其他值。由于 PIC 內(nèi)部時鐘的低速 (4 MHz),無法通過變量參數(shù)化等待狀態(tài)的時序。相反,已經(jīng)創(chuàng)建了具有不同百分比的占空比的專用子程序。固件產(chǎn)生的PWM信號,在這種情況下,頻率約為 2 kHz。使用更快的 PIC 將允許等待暫停的參數(shù)化和代碼的優(yōu)化。PWM 的低頻可以在感性負載上產(chǎn)生聲音。然而,在阻性負載上不存在這個問題。
電路仿真
觀察電路在開關(guān)點的行為并研究 SiC MOSFET 所做的工作非常有趣。圖 7顯示了占空比為 50% 的 PWM 信號在以下幾點的波形圖:
微控制器 GPIO1 端口上的 PWM 信號
MOSFET IRL540 漏極上的 PWM 信號
SiC MOSFET UF3C065080T3S 漏極上的 PWM 信號
圖 7:PWM 信號在各個點的波形圖
圖 8顯示了微控制器輸出端的 PWM 信號波形圖,占空比的不同百分比(10%、30%、50%、70%、90%)。
圖 8:占空比不同百分比的波形圖
電路效率
就功率傳輸而言,使用 SiC MOSFET 時的效率非常高。不幸的是,預(yù)驅(qū)動器的存在降低了這種效率,平均而言,這可以被認為是好的。圖 9顯示了電路的總效率曲線圖,具體取決于施加到輸出的負載。為了提高電路的效率,您可以嘗試稍微提高 MOSFET IRL540 的漏極電阻 R7 的值,確保 SiC MOSFET 的閉合沒有問題。
圖 9:電路效率與所施加負載的關(guān)系
在元件導(dǎo)通期間,直接從電路的各個工作點測量 SiC MOSFET的 R DS(on)值很有趣。根據(jù)歐姆定律,我們有:
圖 10確認了官方數(shù)據(jù)表中顯示的值。
圖 10:測量 SiC MOSFET 的 RDS(on) 值
UF3C065080T3S SiC MOSFET
United Carbide 的級聯(lián)產(chǎn)品將其高性能 G3 SiC JFET 與級聯(lián)優(yōu)化 MOSFET 共同封裝,以生產(chǎn)當(dāng)今市場上唯一的標準柵極驅(qū)動 SiC 器件。該系列表現(xiàn)出超低的柵極電荷,但在任何類似額定值的器件中,它也具有最佳的反向恢復(fù)特性。當(dāng)與推薦的 RC 緩沖器和任何需要標準柵極驅(qū)動的應(yīng)用一起使用時,這些器件非常適合切換電感負載。它的特點是:
R DS(on)典型值為 80 mΩ
最高工作溫度 175°C
出色的反向恢復(fù)
低柵極電荷
低固有電容
ESD 保護,HBM 2 類
其典型應(yīng)用有:
電動汽車充電
光伏逆變器
開關(guān)模式電源
功率因數(shù)校正模塊
電機驅(qū)動
感應(yīng)加熱
由于文章隨附的 SPICE 文件的存在,您可以將 SiC MOSFET 與最重要的電子仿真程序一起使用。
結(jié)論
PWM 控制可以讓您獲得更好的功率執(zhí)行器(例如電機和燈)的定性行為。光的質(zhì)量更好,雖然亮度的程度可以隨意改變。即使在低轉(zhuǎn)速下,發(fā)動機扭矩也非常高。本文中描述的電路主要具有教學(xué)目的,并為進一步研究該領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。熟悉 PWM 很有用。設(shè)計師絕對可以改進它,無論是功率還是效率。但是,建議不要將提供的功率推到最大,以免電路過熱。
審核編輯:劉清
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