基于F28335的SiC MOSFET驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

范士穎，崔江

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 211106)

0 引言

功率變換器憑借自身眾多優(yōu)勢，被應(yīng)用于許多重要領(lǐng)域。高效率、高可靠性以及低成本一直是功率變換器不斷發(fā)展的方向[1-2]。擁有更高性能的SiC基功率器件已開始逐步替代Si基功率器件。Si與SiC MOSFET兩種器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似，但SiC MOSFET開關(guān)速度很快，不能用驅(qū)動普通Si MOSFET的交流驅(qū)動信號控制SiC MOSFET器件通斷。SiC MOSFET開關(guān)瞬間易產(chǎn)生大電流尖峰，使其被擊穿而損壞。面對SiC MOSFET開關(guān)速度快帶來的器件安全問題，寬禁帶半導(dǎo)體器件驅(qū)動電路的設(shè)計和調(diào)控，在系統(tǒng)正常運行方面顯得尤為重要。

文獻(xiàn)[3]設(shè)計了FDM6021-4803型號電機(jī)的驅(qū)動器，并利用F28335產(chǎn)生的PWM信號作為電機(jī)驅(qū)動器的輸入信號，此驅(qū)動器精度高、穩(wěn)定性好。文獻(xiàn)[4]利用F28335產(chǎn)生PWM信號，傳送至驅(qū)動電路，以實現(xiàn)IGBT的控制通斷。文獻(xiàn)[5-6]設(shè)計了一種基于TMS320F28335的旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動伺服閥控制器，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、運算速度快、控制靈活的特點。

本文設(shè)計了一款利用F28335控制的SiC MOSFET柵極驅(qū)動電路。該電路可以使用鍵盤實時調(diào)節(jié)F28335輸出PWM信號的頻率、占空比、死區(qū)和移相4個參數(shù)值，在LCM12864屏上顯示PWM信號的參數(shù)。 并且將4路PWM信號輸入到SiC MOSFET柵極驅(qū)動電路，驅(qū)動電路輸出端即可輸出有足夠驅(qū)動能力的交流驅(qū)動電壓信號，用于SiC MOSFET通斷的實時調(diào)控。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

基于F28335的SiC MOSFET驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。此系統(tǒng)由F28335核心板、鍵盤、LED指示燈、撥碼開關(guān)、LCM12864液晶顯示屏和SiC MOSFET驅(qū)動電路組成。

圖1 系統(tǒng)框圖

首先，打開4路撥碼開關(guān)，F(xiàn)28335的4路PWM信號輸出通道已經(jīng)打開。F28335及其外圍電路正常供電，此刻，4路PWM信號的輸出通道會輸出程序初始化設(shè)置的4路PWM信號。4個LED指示燈亮，LCM12864液晶顯示屏上顯示程序初始時設(shè)置PWM信號的頻率、死區(qū)、占空比和移相4個參數(shù)值。鍵盤調(diào)節(jié)PWM信號的頻率、占空比、死區(qū)和移相4個參數(shù)，此時，F(xiàn)28335輸出的4路PWM信號參數(shù)發(fā)生變化，其具體參數(shù)值可在LCM12864液晶顯示屏上實時顯示，并且SiC MOSFET驅(qū)動電路輸出端輸出的交流電壓也發(fā)生相應(yīng)變化。因此，本設(shè)計通過軟件控制和硬件電路結(jié)合，實現(xiàn)對SiC MOSFET驅(qū)動電路輸入信號的實時調(diào)節(jié)，從而能夠使驅(qū)動電路輸出SiC MOSFET所需的驅(qū)動信號。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于F28335的SiC MOSFET驅(qū)動電路系統(tǒng)主要由LCD顯示模塊、撥碼開關(guān)控制通斷模塊、鍵盤模塊、信號輸出模塊、指示燈指示模塊、數(shù)字控制模塊和SiC MOSFET驅(qū)動模塊組成[7-11]。

2.1 數(shù)字控制模塊

在本設(shè)計中，數(shù)字控制模塊用于PWM信號的產(chǎn)生與調(diào)控。本文選用F28335作為核心控制器，通過編程產(chǎn)生不同參數(shù)的4路PWM信號，并用程序?qū)崿F(xiàn)F28335與鍵盤、指示燈、撥碼開關(guān)和LCM12864實時通信。F28335使用EPWM模塊產(chǎn)生本設(shè)計所需的4路PWM信號，以供后續(xù)電路實現(xiàn)SiC MOSFET通斷控制[12-14]。

2.2 鍵盤模塊

本設(shè)計選用的鍵盤由16個小按鍵組成，并且每個小按鍵都是獨立控制。鍵盤引腳與F28335的GPIO口相連，可以與F28335實時通信，用于調(diào)節(jié)其輸出PWM信號的頻率、死區(qū)、占空比和移相4個參數(shù)值。16個小按鍵為KEY_0-KEY_15按鍵。其中，KEY_0和KEY_1按鍵用來對PWM信號進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，KEY_0為頻率+1鍵，KEY_1為頻率-1鍵。KEY_2和KEY_3按鍵用來調(diào)節(jié)PWM信號占空比，KEY_2為占空比+1鍵，KEY_3為占空比-1鍵。KEY_4和KEY_5按鍵對PWM信號進(jìn)行死區(qū)調(diào)節(jié)，KEY_4為死區(qū)+1鍵，KEY_5為死區(qū)-1鍵。KEY_6和KEY_7按鍵對PWM信號進(jìn)行移相調(diào)節(jié)，KEY_6為移相+1鍵，KEY_7為移相-1鍵。KEY_8-KEY_15按鍵為8個備用按鍵，以供后續(xù)添加新的功能使用。

2.3 指示燈指示模塊

本設(shè)計選用4個LED燈用作F28335輸出PWM信號指示燈，即使用D1-D4這4個LED指示燈檢測PWM信號的輸出狀態(tài)。PWM1A對應(yīng)的LED指示燈為D1，D2為PWM1B對應(yīng)LED的指示燈，D3為PWM2A對應(yīng)的LED指示燈，D4為PWM2B對應(yīng)的LED指示燈。當(dāng)F28335的4路PWM輸出通道有PWM信號輸出時，此路所對應(yīng)的指示燈亮。當(dāng)F28335的4路PWM輸出通道停止輸出PWM信號時，此路所對應(yīng)的指示燈滅。

2.4 撥碼開關(guān)控制通斷模塊

本設(shè)計利用撥碼開關(guān)對4路PWM信號進(jìn)行輸出控制。4個撥碼開關(guān)分別為SW_1、SW_2、SW_3和SW_4。其中，SW_1控制PWM1A通道的通斷，SW_2控制PWM1B通道的通斷，SW_3控制PWM2A通道的通斷，SW_4控制PWM2B通道的通斷。當(dāng)撥碼開關(guān)撥至“ON”時，PWM通道打開，若F28335產(chǎn)生了PWM信號，則PWM信號能夠正常輸出。當(dāng)撥碼開關(guān)撥至“OFF”時，此路PWM通道關(guān)閉，不能輸出PWM信號。4路PWM信號輸出通道由4個撥碼開關(guān)獨立控制，互不影響。

2.5 信號輸出模塊

本設(shè)計的信號輸出模塊使用了8引腳輸出端子。此信號輸出模塊輸出F28335 4個PWM通道產(chǎn)生的PWM信號，并將4路剩余PWM信號共地(DGND)。通過信號輸出模塊將F28335產(chǎn)生的PWM信號傳送給LCM12864液晶顯示屏和SiC MOSFET驅(qū)動電路。

2.6 液晶顯示模塊

本設(shè)計中PWM信號參數(shù)的液晶顯示模塊使用LCM12864液晶顯示屏。LCM12864可以顯示本文設(shè)定的漢字和字符串，引腳配置簡單、使用方便。LCM12864液晶顯示屏的數(shù)據(jù)總線引腳為DB0-DB7，控制總線引腳為LCD_RST、LCD_E、LCD_RS和LCD_R/W。通過設(shè)置兩種總線實現(xiàn)F28335與液晶屏實時通信。本設(shè)計利用LCM12864液晶屏實時顯示PWM信號的頻率、占空比、死區(qū)和移相值。

2.7 SiC MOSFET驅(qū)動模塊

SiC MOSFET驅(qū)動電路原理圖如圖2所示。此電路主要由兩個隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器(VD2418和VD2405)，一個光耦隔離器(ACPL-4800-300E)和柵極驅(qū)動器集成電路(IXDN609SI)組成。供電電源由隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器提供。此驅(qū)動電路的輸入端接入F28335產(chǎn)生的PWM信號，并利用此電路對PWM信號進(jìn)行放大，得到SiC MOSFET通斷所需交流驅(qū)動信號，從而能夠控制SiC MOSFET通斷。

圖2 SiC MOSEFT驅(qū)動電路圖

2.8 實際硬件電路板

基于F28335的SiC MOSFET驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計實際硬件電路如圖3所示。其中，①為數(shù)字控制模塊，控制PWM信號的產(chǎn)生；②為鍵盤模塊，對PWM信號進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)；③為指示燈指示模塊，指示PWM信號輸出狀態(tài)；④為撥碼開關(guān)控制通斷模塊，控制PWM信號輸出狀態(tài)；⑤為輸出PWM信號模塊，將PWM信號傳送給后級電路；⑥為LCD顯示模塊，實時顯示PWM信號的4個參數(shù)；⑦SiC MOSFET驅(qū)動模塊，將F28335產(chǎn)生的PWM信號轉(zhuǎn)換成所需信號。

圖3 硬件電路板實物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖4為本設(shè)計的系統(tǒng)流程圖。首先,對整個電路系統(tǒng)通電，F(xiàn)28335和LCM12864進(jìn)行初始化，之后進(jìn)入主程序的無限循環(huán)語句，程序一直處于循環(huán)，查詢鍵盤中按鍵的狀態(tài)。

圖4 程序流程圖

在主程序的循環(huán)中，程序會一直等待著鍵盤中的小按鍵被按下。判斷4路PWM信號輸出通道的撥碼開關(guān)是否打開。如果4路PWM信號輸出通道的撥碼開關(guān)已打開，此時，按照程序初始化時對4路PWM信號的參數(shù)設(shè)置輸出4路PWM信號，4路PWM信號指示燈亮，LCM12864液晶屏上顯示初始化設(shè)置PWM信號的頻率、占空比、死區(qū)和移相4個參數(shù)。如果4路PWM信號輸出通道的撥碼開關(guān)沒有打開，那么F28335不能輸出4路PWM信號給下一級電路，并且4路PWM信號對應(yīng)的指示燈滅。此時，液晶顯示屏上沒有顯示PWM信號任何參數(shù)。

鍵盤上的小按鍵被按下后，需要判斷被按下的小按鍵要改變F28335輸出PWM信號的什么屬性(頻率、占空比、死區(qū)、移相)。如果按鍵要改變F28335輸出PWM信號某個參數(shù)值，比如要改變占空比值，判斷被按下按鍵是占空比+1鍵，還是占空比-1鍵，并改變PWM信號相應(yīng)參數(shù)值。

鍵盤調(diào)控PWM信號的4個參數(shù)后，如果參數(shù)值在程序設(shè)定范圍內(nèi)，F(xiàn)28335輸出相應(yīng)參數(shù)的PWM信號給SiC MOSFET柵極驅(qū)動電路，PWM信號在此電路中經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換，即得到能夠調(diào)控SiC MOSFET開關(guān)的交流驅(qū)動信號，并在LCM12864屏上顯示F28335輸出PWM信號的頻率、占空比、死區(qū)和移相參數(shù)值。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

本設(shè)計已經(jīng)對基于F28335的SiC MOSFET驅(qū)動電路進(jìn)行了軟件調(diào)試和實際平臺驗證。按鍵設(shè)置頻率為10kHz，占空比為50%、死區(qū)為1CLK(雙邊死區(qū))和移相為90°，此時，LCM12864液晶屏參數(shù)顯示如圖5所示。采集F28335輸出的4路PWM信號，如圖6所示。以一路PWM信號為例，將此信號輸入到SiC MOSFET驅(qū)動電路，PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換后得到的交流信號即為SiC MOSFET所需驅(qū)動信號。在本設(shè)計中，驅(qū)動電路輸出-5/+18V的交流信號，并將其用作SiC MOSFET驅(qū)動信號，如圖7所示。基于F28335的SiC MOSFET驅(qū)動電路中各個電路模塊運行穩(wěn)定，SiC MOSFET驅(qū)動電路能夠輸入相應(yīng)的PWM信號，并且LCM12864液晶屏也能實時顯示PWM信號的頻率、占空比、死區(qū)和移相值(本刊系黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。

圖5 LCM12864顯示PWM信號的4個參數(shù)

圖6 4路PWM信號波形圖

圖7 驅(qū)動SiC MOSFET所需交流信號波形圖

5 結(jié)語

本文對所提出的基于F28335的SiC MOSFET柵極驅(qū)動電路進(jìn)行軟硬件設(shè)計，利用鍵盤控制F28335輸出PWM信號的參數(shù)，并用LCM12864液晶屏顯示PWM信號參數(shù)，實現(xiàn)了對SiC MOSFET柵極驅(qū)動信號的實時調(diào)節(jié)。通過實際試驗平臺進(jìn)行驗證，結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以通過鍵盤實時控制SiC MOSFET柵源驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)對SiC MOSFET開通和關(guān)斷的實時調(diào)控。