范士颖，崔江

(南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 211106)

0 引言

功率变换器凭借自身众多优势，被应用于许多重要领域。高效率、高可靠性以及低成本一直是功率变换器不断发展的方向[1-2]。拥有更高性能的SiC基功率器件已开始逐步替代Si基功率器件。Si与SiC MOSFET两种器件的内部结构类似，但SiC MOSFET开关速度很快，不能用驱动普通Si MOSFET的交流驱动信号控制SiC MOSFET器件通断。SiC MOSFET开关瞬间易产生大电流尖峰，使其被击穿而损坏。面对SiC MOSFET开关速度快带来的器件安全问题，宽禁带半导体器件驱动电路的设计和调控，在系统正常运行方面显得尤为重要。

文献[3]设计了FDM6021-4803型号电机的驱动器，并利用F28335产生的PWM信号作为电机驱动器的输入信号，此驱动器精度高、稳定性好。文献[4]利用F28335产生PWM信号，传送至驱动电路，以实现IGBT的控制通断。文献[5-6]设计了一种基于TMS320F28335的旋转直接驱动伺服阀控制器，具有电路结构简单、运算速度快、控制灵活的特点。

本文设计了一款利用F28335控制的SiC MOSFET栅极驱动电路。该电路可以使用键盘实时调节F28335输出PWM信号的频率、占空比、死区和移相4个参数值，在LCM12864屏上显示PWM信号的参数。 并且将4路PWM信号输入到SiC MOSFET栅极驱动电路，驱动电路输出端即可输出有足够驱动能力的交流驱动电压信号，用于SiC MOSFET通断的实时调控。

1 系统整体设计

基于F28335的SiC MOSFET驱动系统设计系统结构框图如图1所示。此系统由F28335核心板、键盘、LED指示灯、拨码开关、LCM12864液晶显示屏和SiC MOSFET驱动电路组成。

图1 系统框图

首先，打开4路拨码开关，F28335的4路PWM信号输出通道已经打开。F28335及其外围电路正常供电，此刻，4路PWM信号的输出通道会输出程序初始化设置的4路PWM信号。4个LED指示灯亮，LCM12864液晶显示屏上显示程序初始时设置PWM信号的频率、死区、占空比和移相4个参数值。键盘调节PWM信号的频率、占空比、死区和移相4个参数，此时，F28335输出的4路PWM信号参数发生变化，其具体参数值可在LCM12864液晶显示屏上实时显示，并且SiC MOSFET驱动电路输出端输出的交流电压也发生相应变化。因此，本设计通过软件控制和硬件电路结合，实现对SiC MOSFET驱动电路输入信号的实时调节，从而能够使驱动电路输出SiC MOSFET所需的驱动信号。

2 系统硬件设计

基于F28335的SiC MOSFET驱动电路系统主要由LCD显示模块、拨码开关控制通断模块、键盘模块、信号输出模块、指示灯指示模块、数字控制模块和SiC MOSFET驱动模块组成[7-11]。

2.1 数字控制模块

在本设计中，数字控制模块用于PWM信号的产生与调控。本文选用F28335作为核心控制器，通过编程产生不同参数的4路PWM信号，并用程序实现F28335与键盘、指示灯、拨码开关和LCM12864实时通信。F28335使用EPWM模块产生本设计所需的4路PWM信号，以供后续电路实现SiC MOSFET通断控制[12-14]。

2.2 键盘模块

本设计选用的键盘由16个小按键组成，并且每个小按键都是独立控制。键盘引脚与F28335的GPIO口相连，可以与F28335实时通信，用于调节其输出PWM信号的频率、死区、占空比和移相4个参数值。16个小按键为KEY_0-KEY_15按键。其中，KEY_0和KEY_1按键用来对PWM信号进行频率调节，KEY_0为频率+1键，KEY_1为频率-1键。KEY_2和KEY_3按键用来调节PWM信号占空比，KEY_2为占空比+1键，KEY_3为占空比-1键。KEY_4和KEY_5按键对PWM信号进行死区调节，KEY_4为死区+1键，KEY_5为死区-1键。KEY_6和KEY_7按键对PWM信号进行移相调节，KEY_6为移相+1键，KEY_7为移相-1键。KEY_8-KEY_15按键为8个备用按键，以供后续添加新的功能使用。

2.3 指示灯指示模块

本设计选用4个LED灯用作F28335输出PWM信号指示灯，即使用D1-D4这4个LED指示灯检测PWM信号的输出状态。PWM1A对应的LED指示灯为D1，D2为PWM1B对应LED的指示灯，D3为PWM2A对应的LED指示灯，D4为PWM2B对应的LED指示灯。当F28335的4路PWM输出通道有PWM信号输出时，此路所对应的指示灯亮。当F28335的4路PWM输出通道停止输出PWM信号时，此路所对应的指示灯灭。

2.4 拨码开关控制通断模块

本设计利用拨码开关对4路PWM信号进行输出控制。4个拨码开关分别为SW_1、SW_2、SW_3和SW_4。其中，SW_1控制PWM1A通道的通断，SW_2控制PWM1B通道的通断，SW_3控制PWM2A通道的通断，SW_4控制PWM2B通道的通断。当拨码开关拨至“ON”时，PWM通道打开，若F28335产生了PWM信号，则PWM信号能够正常输出。当拨码开关拨至“OFF”时，此路PWM通道关闭，不能输出PWM信号。4路PWM信号输出通道由4个拨码开关独立控制，互不影响。

2.5 信号输出模块

本设计的信号输出模块使用了8引脚输出端子。此信号输出模块输出F28335 4个PWM通道产生的PWM信号，并将4路剩余PWM信号共地(DGND)。通过信号输出模块将F28335产生的PWM信号传送给LCM12864液晶显示屏和SiC MOSFET驱动电路。

2.6 液晶显示模块

本设计中PWM信号参数的液晶显示模块使用LCM12864液晶显示屏。LCM12864可以显示本文设定的汉字和字符串，引脚配置简单、使用方便。LCM12864液晶显示屏的数据总线引脚为DB0-DB7，控制总线引脚为LCD_RST、LCD_E、LCD_RS和LCD_R/W。通过设置两种总线实现F28335与液晶屏实时通信。本设计利用LCM12864液晶屏实时显示PWM信号的频率、占空比、死区和移相值。

2.7 SiC MOSFET驱动模块

SiC MOSFET驱动电路原理图如图2所示。此电路主要由两个隔离式DC-DC转换器(VD2418和VD2405)，一个光耦隔离器(ACPL-4800-300E)和栅极驱动器集成电路(IXDN609SI)组成。供电电源由隔离式DC-DC转换器提供。此驱动电路的输入端接入F28335产生的PWM信号，并利用此电路对PWM信号进行放大，得到SiC MOSFET通断所需交流驱动信号，从而能够控制SiC MOSFET通断。

图2 SiC MOSEFT驱动电路图

2.8 实际硬件电路板

基于F28335的SiC MOSFET驱动系统设计实际硬件电路如图3所示。其中，①为数字控制模块，控制PWM信号的产生；②为键盘模块，对PWM信号进行参数调节；③为指示灯指示模块，指示PWM信号输出状态；④为拨码开关控制通断模块，控制PWM信号输出状态；⑤为输出PWM信号模块，将PWM信号传送给后级电路；⑥为LCD显示模块，实时显示PWM信号的4个参数；⑦SiC MOSFET驱动模块，将F28335产生的PWM信号转换成所需信号。

图3 硬件电路板实物图

3 系统软件设计

图4为本设计的系统流程图。首先,对整个电路系统通电，F28335和LCM12864进行初始化，之后进入主程序的无限循环语句，程序一直处于循环，查询键盘中按键的状态。

图4 程序流程图

在主程序的循环中，程序会一直等待着键盘中的小按键被按下。判断4路PWM信号输出通道的拨码开关是否打开。如果4路PWM信号输出通道的拨码开关已打开，此时，按照程序初始化时对4路PWM信号的参数设置输出4路PWM信号，4路PWM信号指示灯亮，LCM12864液晶屏上显示初始化设置PWM信号的频率、占空比、死区和移相4个参数。如果4路PWM信号输出通道的拨码开关没有打开，那么F28335不能输出4路PWM信号给下一级电路，并且4路PWM信号对应的指示灯灭。此时，液晶显示屏上没有显示PWM信号任何参数。

键盘上的小按键被按下后，需要判断被按下的小按键要改变F28335输出PWM信号的什么属性(频率、占空比、死区、移相)。如果按键要改变F28335输出PWM信号某个参数值，比如要改变占空比值，判断被按下按键是占空比+1键，还是占空比-1键，并改变PWM信号相应参数值。

键盘调控PWM信号的4个参数后，如果参数值在程序设定范围内，F28335输出相应参数的PWM信号给SiC MOSFET栅极驱动电路，PWM信号在此电路中经过信号转换，即得到能够调控SiC MOSFET开关的交流驱动信号，并在LCM12864屏上显示F28335输出PWM信号的频率、占空比、死区和移相参数值。

4 系统调试结果

本设计已经对基于F28335的SiC MOSFET驱动电路进行了软件调试和实际平台验证。按键设置频率为10kHz，占空比为50%、死区为1CLK(双边死区)和移相为90°，此时，LCM12864液晶屏参数显示如图5所示。采集F28335输出的4路PWM信号，如图6所示。以一路PWM信号为例，将此信号输入到SiC MOSFET驱动电路，PWM信号经过驱动电路转换后得到的交流信号即为SiC MOSFET所需驱动信号。在本设计中，驱动电路输出-5/+18V的交流信号，并将其用作SiC MOSFET驱动信号，如图7所示。基于F28335的SiC MOSFET驱动电路中各个电路模块运行稳定，SiC MOSFET驱动电路能够输入相应的PWM信号，并且LCM12864液晶屏也能实时显示PWM信号的频率、占空比、死区和移相值(本刊系黑白印刷，如有疑问请咨询作者)。

图5 LCM12864显示PWM信号的4个参数

图6 4路PWM信号波形图

图7 驱动SiC MOSFET所需交流信号波形图

5 结语

本文对所提出的基于F28335的SiC MOSFET栅极驱动电路进行软硬件设计，利用键盘控制F28335输出PWM信号的参数，并用LCM12864液晶屏显示PWM信号参数，实现了对SiC MOSFET栅极驱动信号的实时调节。通过实际试验平台进行验证，结果表明：该系统可以通过键盘实时控制SiC MOSFET栅源驱动信号，从而实现对SiC MOSFET开通和关断的实时调控。