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对大功率点灯或电动机上的电流调节方法

2020-06-13
来源:与非网
关键词: MOSFET PWM LED二极管

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技术之一就是脉宽调制(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 SiC MOSFET 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。

 

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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。

 

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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,这种技术可以限制热量。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。

 

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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

 

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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技术来获得更可靠、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。

 

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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。

 

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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

 

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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。

 

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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。

 

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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:

 

 

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图 10 对官方数据手册中所给的值进行了确认。

 

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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。

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