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(zhí)行器進行控制和管理。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。
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(zhí)行器進行控制和管理,。例如,，柴油機壓力調節(jié)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(wěn)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(zhí)行,。電源的調節(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）,，可以通過調制占空比而利用它來控制電氣負載（在本例中為執(zhí)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?！罢伎毡取笔欠讲ǔ尸F“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(xù)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(fā)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(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(jiān)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(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
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(yè)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(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(zhí)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(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%,。當然,，也可以根據程序規(guī)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(tài)的定時,。相反，則是已經創(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可以對等待暫停進行參數化并對代碼進行優(yōu)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(yōu)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(zhí)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(fā)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。