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。“占空比”是方波呈現(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：
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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；
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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；
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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；
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100%占空比所對應(yīng)的信號始終為高電平；
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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。
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。
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。*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)镾iC 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。
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。
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電阻：
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R1：330Ω
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R2：10k?
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R3：10k?
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R4：100?
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R5：10k?
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R6：47k?
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R7：220?，5W
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電容：
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C1：100nF
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C2：100nF
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C3：100nF
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C4：100nF
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C5：100nF
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C6：100nF
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C7：1,000µF電解電容
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半導(dǎo)體
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雜項(xiàng)：
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U1：PIC12F675_P MCU
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U2：LM7812CT穩(wěn)壓器
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U3：7805穩(wěn)壓器
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U4：LM7824CT穩(wěn)壓器
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1：熔斷器，40A
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J1：接線端子
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J2：接線端子
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S1：常開按鈕
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S2：常開按鈕
圖4：元器件引腳排列。
PCB
要制作原型，就必須設(shè)計(jì)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。
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。
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*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：
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。
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(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M(jìn)OSFET 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(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R
DS(on)值非常有趣。根據(jù)歐姆定律，有：
圖10對官方數(shù)據(jù)手冊中所給的值進(jìn)行了確認(rèn)。
圖10：SiC MOSFET的R
DS(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*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：
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RDS(on)典型值為80mΩ
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最高工作溫度為175℃
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*的反向恢復(fù)特性
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低柵極電荷
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低固有電容
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ESD保護(hù)，HBM 2級
它的典型應(yīng)用有：
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電動汽車充電
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光伏逆變器
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開關(guān)電源
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功率因數(shù)校正模塊
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電機(jī)驅(qū)動
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感應(yīng)加熱
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(jì)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。
