利用SiC驅動大功率電燈或馬達

作者 : Giovanni Di Mari,EEWeb

改變大功率電燈或馬達亮度的最佳技術之一就是脈衝寬度調變(PWM)。在汽車電子系統中,控制單元已使用PWM命令來對各種致動器進行控制和管理。例如,柴油機壓力調節器、電風扇和前照燈的亮度就採用PWM訊號進行管理…

改變大功率電燈或馬達亮度的最佳技術之一就是脈衝寬度調變(PWM)。在汽車電子系統中,一段時間以來,控制單元已使用PWM命令來對各種致動器進行控制和管理。例如,柴油機壓力調節器、電風扇和前照燈的亮度就採用PWM訊號進行管理。利用週期性訊號驅動負載,電路的效率就非常高,所有產生的功率就都能傳輸到負載,即損耗幾乎為零。透過使用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,電壓可以透過調整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馬達的速度。邏輯操作由微控制器(MCU)執行。電源的調節操作利用兩個按鈕管理,工作週期的大小透過一個LED二極體監控。

PWM訊號

PWM訊號是具有可變「工作週期」的方波(圖1),可以透過調變工作週期而利用它來控制電氣負載(在本例中為致動器或馬達)所吸收的功率。PWM訊號的特徵是固定頻率和可變工作週期,「工作週期」是方波呈現「高」電平的時間與週期T之比,其中「T」是頻率的倒數:T=1/f。例如:

  • 50%工作週期所對應的方波,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%工作週期所對應的方波,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%工作週期所對應的方波,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%工作週期所對應的訊號始終為高電平;
  • 0%工作週期所對應的訊號始終為低電平。

圖1 PWM訊號及其對負載的影響。

為了更清楚起見,如果考慮上述最後兩種情況,則工作週期等於0%。表示脈衝持續時間為零(實際上是無訊號),而接近100%的值表示最大訊號傳輸,也即受控設備獲得完整、恆定的電源。

方框圖

圖2提出了該系統的框架圖。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)訊號而驅動預驅動器。後者將電流訊號放大並將其傳遞給驅動器,進而控制負載。

圖2 系統框架圖。

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,然後透過三個穩壓器(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埠驅動一個LED二極體,而用作PWM訊號的監控器。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「閘極」的能量非常低。第一個MOSFET的「汲極」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,兩個常開按鈕透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。

圖3 電氣原理圖。

電子元件

以下列出了電路的電子元件。它們並不緊缺,可以在市場上輕鬆找到。圖4提供各種元件的引腳排列。

圖4 元件引腳排列。

  • 電阻:

o R1:330Ω

o R2:10kΩ

o R3:10kΩ

o R4:100Ω

o R5:10kΩ

o R6:47kΩ

o R7:220Ω,5W

  • 電容:

o C1:100nF

o C2:100nF

o C3:100nF

o C4:100nF

o C5:100nF

o C6:100nF

o C7:1,000μF電解電容

  • 半導體

o D1:紅光LED,5mm周長

o D2:快恢復二極體RFN5TF8S

o D3:快恢復二極體RFN5TF8S

o Q1:MOSFET SiC UF3C065080T3S

o Q2:MOSFET IRL540(非IRF540)

  • 雜項:

o U1:PIC12F675_P MCU

o U2:LM7812CT穩壓器

o U3:7805穩壓器

o U4:LM7824CT穩壓器

o F1:熔斷器,40A

o J1:接線端子

o J2:接線端子

o S1:常開按鈕

o S2:常開按鈕

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,強烈建議使用微影技術來獲得更可靠、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,從而增加與積體電路相關的焊盤精準度。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。

組裝

可以開始焊接元件(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(即保險絲)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,需要注意積體電路及其插座的引腳排列。

圖6 元件的佈置和電路的3D視圖。

韌體

本文最後(詳見網站)附有來源程式列表(.BAS)—是使用GCB(Great Cow Basic)編譯器用BASIC語言編寫—以及可執行檔(.HEX)。在對保險絲和I/O埠進行初始配置之後,就會進入無限迴圈,檢查兩個按鈕的邏輯狀態。按下第一個按鈕,工作週期就會減小;按下第二個按鈕,工作週期就會增加。工作週期的百分比有10%、30%、50%、70%和90%。當然,也可以根據程式規範添加其他值。由於PIC內部時脈的速度較低(4MHz),因此無法透過變數來參數化等候狀態的定時,相反,則是已經創建了具有不同百分比工作週期的專用副程式。在這種情況下,由韌體生成的PWM訊號的頻率約為2kHz。使用更快速的PIC可以對等待暫停進行參數化並對程式碼進行最佳化。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。

電路模擬

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顯示了以下幾點在工作週期為50%時的PWM訊號波形圖:

  • MCU的GPIO1埠上的PWM訊號;
  • MOSFET IRL540的汲極上的PWM訊號;
  • SiC MOSFET UF3C065080T3S的汲極上的PWM訊號。

圖7 不同點的PWM訊號波形圖。

圖8提供了在各種工作週期百分比(10%、30%、50%、70%、90%)下,MCU輸出處的PWM訊號的波形圖。

圖8 不同工作週期百分比下的波形圖。

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顯示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汲極電阻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係。

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對官方資料手冊中所提供的值進行了確認。

圖10 SiC MOSFET的RDS(on)值的測量。

UF3C065080T3S SiC MOSFET

UnitedSiC的共源共閘產品將其高性能G3 SiC JFET與經過共源共閘最佳化的MOSFET封裝在一起,從而生產出了當今市場上唯一的標準閘極驅動SiC元件。該系列不僅具有極低的閘極電荷,而且在類似額定值的任何元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,這些元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閘極驅動的應用。其特點包RDS(on)典型值為80mΩ、最高工作溫度為175℃、出色的反向恢復特性、低閘極電荷、低固有電容,以及ESD保護、HBM 2級。

它的典型應用包括電動車充電、太陽能逆變器、開關電源、功率因數校正模組、馬達驅動與感應加熱。

由於本文隨附有SPICE檔(詳見EDN Taiwan網站),因此可以將SiC MOSFET與最重要的電子模擬程式一起使用。

總結

PWM控制可以對電動致動器(例如馬達和電燈)獲得更好的定性性能。儘管可以隨意改變亮度,但是光的品質更好,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。

(參考原文:Driving a Powerful Lamp or Motor with SiC,by Giovanni Di Mari)

 

掃描或點擊QR Code立即加入 “EETimes技術論壇” Line 群組 !

 EET-Line技術論壇-QR

發表評論