《電子技術(shù)應(yīng)用》
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對大功率點(diǎn)燈或電動機(jī)上的電流調(diào)節(jié)方法

2020-06-13
來源:與非網(wǎng)
關(guān)鍵詞: MOSFET PWM LED二極管

本文將會展示如何設(shè)計一種電路,,來對大功率電燈或電動機(jī)上的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。該設(shè)備采用 MCU 工作,,可確保用 PWM 信號來驅(qū)動電力負(fù)載,。開關(guān)元件以 SiC MOSFET 為代表。


改變大功率電燈或電動機(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,,一段時間以來,控制單元已使用 PWM 命令來對各種執(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 信號進(jìn)行管理,。利用周期性信號驅(qū)動負(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,,總效率將會更高,。


設(shè)備
本文要講的電路是一個簡單的 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)操作通過兩個按鈕管理。占空比的大小通過一個 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),,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)行器或電動機(jī))所吸收的功率。PWM 信號的特征是固定頻率和可變占空比,?!罢伎毡取笔欠讲ǔ尸F(xiàn)“高”電平的時間與周期 T 之比,其中“T”是頻率的倒數(shù):T=1/f,。例如:


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


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


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


100%占空比所對應(yīng)的信號始終為高電平,;


0%占空比所對應(yīng)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(xù)時間為零(實(shí)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(shè)備獲得完整,、恒定的電源,。

 

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圖 1:PWM 信號及其對負(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)信號而驅(qū)動預(yù)驅(qū)動器。后者將電流信號放大并將其傳遞給驅(qū)動器,,進(jìn)而控制負(fù)載,。

 

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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)動有一個 LED 二極管,,而用作 PWM 信號的監(jiān)控器,。GP1 端口對由 IRL540 功率 MOSFET 組成的預(yù)驅(qū)動器進(jìn)行控制——這特別適用于使用 MCU 的應(yīng)用,因?yàn)榇藭r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(jìn)行驅(qū)動,,對負(fù)載(電阻性或電感性)上的電流進(jìn)行開關(guān)。兩個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)?SiC 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,。

 

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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

 

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圖 4:元器件引腳排列,。


PCB
要制作原型,就必須設(shè)計 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。

 

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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。

 

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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),。在對保險絲和 I/O 端口進(jìn)行初始配置之后,,就會進(jìn)入無限循環(huán),檢查兩個按鈕的邏輯狀態(tài),。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(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,。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 信號的頻率約為 2kHz。使用更快速的 PIC 可以對等待暫停進(jìn)行參數(shù)化并對代碼進(jìn)行優(yōu)化,。低頻率的 PWM 可能會在感性負(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

 

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圖 7:不同點(diǎn)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。

 

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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??梢哉J(rèn)為不錯,,但不幸的是,預(yù)驅(qū)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(fù)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,。

 

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圖 9:電路效率與所加負(fù)載的關(guān)系。


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

 

 

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圖 10 對官方數(shù)據(jù)手冊中所給的值進(jìn)行了確認(rèn),。

 

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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 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,,這些器件非常適合對感性負(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


它的典型應(yīng)用有:
電動汽車充電


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


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 控制可以對電動執(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)動機(jī)扭矩也很高,。本文介紹的電路主要用于指導(dǎo),并為對該領(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,。

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