基于F28335的SiC MOSFET驅動系統設計

范士穎，崔江

(南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 211106)

0 引言

功率變換器憑借自身眾多優勢，被應用于許多重要領域。高效率、高可靠性以及低成本一直是功率變換器不斷發展的方向[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兩種器件的內部結構類似，但SiC MOSFET開關速度很快，不能用驅動普通Si MOSFET的交流驅動信號控制SiC MOSFET器件通斷。SiC MOSFET開關瞬間易產生大電流尖峰，使其被擊穿而損壞。面對SiC MOSFET開關速度快帶來的器件安全問題，寬禁帶半導體器件驅動電路的設計和調控，在系統正常運行方面顯得尤為重要。

文獻[3]設計了FDM6021-4803型號電機的驅動器，并利用F28335產生的PWM信號作為電機驅動器的輸入信號，此驅動器精度高、穩定性好。文獻[4]利用F28335產生PWM信號，傳送至驅動電路，以實現IGBT的控制通斷。文獻[5-6]設計了一種基于TMS320F28335的旋轉直接驅動伺服閥控制器，具有電路結構簡單、運算速度快、控制靈活的特點。

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

1 系統整體設計

基于F28335的SiC MOSFET驅動系統設計系統結構框圖如圖1所示。此系統由F28335核心板、鍵盤、LED指示燈、撥碼開關、LCM12864液晶顯示屏和SiC MOSFET驅動電路組成。

圖1 系統框圖

首先，打開4路撥碼開關，F28335的4路PWM信號輸出通道已經打開。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置PWM信號的頻率、死區、占空比和移相4個參數值。鍵盤調節PWM信號的頻率、占空比、死區和移相4個參數，此時，F28335輸出的4路PWM信號參數發生變化，其具體參數值可在LCM12864液晶顯示屏上實時顯示，并且SiC MOSFET驅動電路輸出端輸出的交流電壓也發生相應變化。因此，本設計通過軟件控制和硬件電路結合，實現對SiC MOSFET驅動電路輸入信號的實時調節，從而能夠使驅動電路輸出SiC MOSFET所需的驅動信號。

2 系統硬件設計

基于F28335的SiC MOSFET驅動電路系統主要由LCD顯示模塊、撥碼開關控制通斷模塊、鍵盤模塊、信號輸出模塊、指示燈指示模塊、數字控制模塊和SiC MOSFET驅動模塊組成[7-11]。

2.1 數字控制模塊

在本設計中，數字控制模塊用于PWM信號的產生與調控。本文選用F28335作為核心控制器，通過編程產生不同參數的4路PWM信號，并用程序實現F28335與鍵盤、指示燈、撥碼開關和LCM12864實時通信。F28335使用EPWM模塊產生本設計所需的4路PWM信號，以供后續電路實現SiC MOSFET通斷控制[12-14]。

2.2 鍵盤模塊

本設計選用的鍵盤由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，用于調節其輸出PWM信號的頻率、死區、占空比和移相4個參數值。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信號進行頻率調節，KEY_0為頻率+1鍵，KEY_1為頻率-1鍵。KEY_2和KEY_3按鍵用來調節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信號進行死區調節，KEY_4為死區+1鍵，KEY_5為死區-1鍵。KEY_6和KEY_7按鍵對PWM信號進行移相調節，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，以供后續添加新的功能使用。

2.3 指示燈指示模塊

本設計選用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。PWM1A對應的LED指示燈為D1，D2為PWM1B對應LED的指示燈，D3為PWM2A對應的LED指示燈，D4為PWM2B對應的LED指示燈。當F28335的4路PWM輸出通道有PWM信號輸出時，此路所對應的指示燈亮。當F28335的4路PWM輸出通道停止輸出PWM信號時，此路所對應的指示燈滅。

2.4 撥碼開關控制通斷模塊

本設計利用撥碼開關對4路PWM信號進行輸出控制。4個撥碼開關分別為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。當撥碼開關撥至“ON”時，PWM通道打開，若F28335產生了PWM信號，則PWM信號能夠正常輸出。當撥碼開關撥至“OFF”時，此路PWM通道關閉，不能輸出PWM信號。4路PWM信號輸出通道由4個撥碼開關獨立控制，互不影響。

2.5 信號輸出模塊

本設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產生的PWM信號傳送給LCM12864液晶顯示屏和SiC MOSFET驅動電路。

2.6 液晶顯示模塊

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

2.7 SiC MOSFET驅動模塊

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

圖2 SiC MOSEFT驅動電路圖

2.8 實際硬件電路板

基于F28335的SiC MOSFET驅動系統設計實際硬件電路如圖3所示。其中，①為數字控制模塊，控制PWM信號的產生；②為鍵盤模塊，對PWM信號進行參數調節；③為指示燈指示模塊，指示PWM信號輸出狀態；④為撥碼開關控制通斷模塊，控制PWM信號輸出狀態；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；⑦SiC MOSFET驅動模塊，將F28335產生的PWM信號轉換成所需信號。

圖3 硬件電路板實物圖

3 系統軟件設計

圖4為本設計的系統流程圖。首先,對整個電路系統通電，F28335和LCM12864進行初始化，之后進入主程序的無限循環語句，程序一直處于循環，查詢鍵盤中按鍵的狀態。

圖4 程序流程圖

在主程序的循環中，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是否打開。如果4路PWM信號輸出通道的撥碼開關已打開，此時，按照程序初始化時對4路PWM信號的參數設置輸出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置PWM信號的頻率、占空比、死區和移相4個參數。如果4路PWM信號輸出通道的撥碼開關沒有打開，那么F28335不能輸出4路PWM信號給下一級電路，并且4路PWM信號對應的指示燈滅。此時，液晶顯示屏上沒有顯示PWM信號任何參數。

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、移相)。如果按鍵要改變F28335輸出PWM信號某個參數值，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信號相應參數值。

鍵盤調控PWM信號的4個參數后，如果參數值在程序設定范圍內，F28335輸出相應參數的PWM信號給SiC MOSFET柵極驅動電路，PWM信號在此電路中經過信號轉換，即得到能夠調控SiC MOSFET開關的交流驅動信號，并在LCM12864屏上顯示F28335輸出PWM信號的頻率、占空比、死區和移相參數值。

4 系統調試結果

本設計已經對基于F28335的SiC MOSFET驅動電路進行了軟件調試和實際平臺驗證。按鍵設置頻率為10kHz，占空比為50%、死區為1CLK(雙邊死區)和移相為90°，此時，LCM12864液晶屏參數顯示如圖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驅動電路，PWM信號經過驅動電路轉換后得到的交流信號即為SiC MOSFET所需驅動信號。在本設計中，驅動電路輸出-5/+18V的交流信號，并將其用作SiC MOSFET驅動信號，如圖7所示。基于F28335的SiC MOSFET驅動電路中各個電路模塊運行穩定，SiC MOSFET驅動電路能夠輸入相應的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

圖6 4路PWM信號波形圖

圖7 驅動SiC MOSFET所需交流信號波形圖

5 結語

本文對所提出的基于F28335的SiC MOSFET柵極驅動電路進行軟硬件設計，利用鍵盤控制F28335輸出PWM信號的參數，并用LCM12864液晶屏顯示PWM信號參數，實現了對SiC MOSFET柵極驅動信號的實時調節。通過實際試驗平臺進行驗證，結果表明：該系統可以通過鍵盤實時控制SiC MOSFET柵源驅動信號，從而實現對SiC MOSFET開通和關斷的實時調控。