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[原创] TI LMG5200三相GaN逆变器参考设计TIDA-00909

关键词:工业控制 逆变器 GaN 马达控制 机器人 LMG5200

时间:2017-02-02 09:17:11       作者:TI       来源:中电网

LMG5200器件(一种80V驱动器,采用GaN半桥功率级)使用增强型氮化镓(GaN)FET提供集成功率级解决方案。该器件由在半桥配置中的一个高频GaN FET驱动器驱动的80V GaN FET组成。

不考虑VCC电压,TTL逻辑兼容输入可承受高达14V的输入电压。专有的自举电压钳位技术可以确保增强型GaN FET的栅极电压位于安全工作范围内。GaN FET为功率转换提供了显着的优势,因为它们具有接近零的反向恢复和非常小的输入电容CISS。所有器件都安装在一个完全无键合的封装平台上,采用最少量的封装寄生元件。LMG5200器件采用6 mm×8 mm×2mm无铅封装,可轻松安装在PCB上。

该器件通过提供更加用户友好的界面,扩展了分立GaN FET的优势。对于需要高频率,高效率运行的应用,它是一种理想的解决方案。它降低了对于保持中压GaN应用的间隙和爬电的要求,同时将环路电感最小化以确保快速开关的电路板要求。

LMG5200器件可以方便地设计高功率密度板,无需底部填充,同时保持漏电和间隙要求。高侧栅极驱动器和低侧栅极驱动器之间的传播延迟匹配,以允许非常严格地控制死区时间。控制死区时间对于保持高效率的GaN基应用是最为关键的。可以独立地控制HI和LI,从而将硬开关降压转换器的低侧FET的第三象限传导最小化。对于下降和上升阈值,HI和LI之间驱动器的传播不匹配很小,从而确保了死区时间<10ns。将GaN FET半桥与驱动器共同封装可确保最小化共源电感。

这种最小化的电感对硬开关拓扑结构具有显着的性能影响。内置带钳位的自举电路可防止高边栅极驱动超过GaN FET的最大栅极至源极电压(Vgs),无需任何额外的外部电路。内置驱动器在VDD和自举(HB-HS)轨上具有欠压闭锁(UVLO)。当电压低于UVLO阈值电压时,器件忽略HI和LI信号,以防止GaN FET部分打开。低于UVLO时,如果有足够的电压(VVCC>2.5V),驱动器主动将高端和低端栅极驱动器输出拉低。200mV的UVLO阈值滞后可防止由于电压尖峰造成的抖动和不必要的导通。采用数值为0.1μF或更高的外部VCC旁路电容。建议使用0402的尺寸,以尽量减少引脚的走线长度。将旁路和自举电容尽可能靠近器件,以尽量减小寄生电感。

LMG5200主要特性

输入电压高达80V DC
集成的80V,18mΩGaN FET
优化引脚排列易于进行PCB布局
内部自举电源钳位以防止GaN FET过驱动
电源轨欠压锁定
独立的高端和低端TTL逻辑输入
快速传播时间(典型值为29.5ns)
优异的传播延迟匹配(典型值为2ns)
低功耗

LMG5200应用

数控驱动
制造机器人
非军事无人机
电源:电信DC/DC模块:数字
伺服驱动器和运动控制

图1  LMG5200功能框图

图2  LMG5200降压转换器连接图

48V/10A高频PWM三相GaN逆变器参考设计TIDA-00909

低电压,高速驱动器和/或低电感无刷电动机需要在40kHz~100kHz范围内采用更高的逆变器开关频率,以最小化电动机中的损耗和转矩波动。TIDA-00909参考设计通过使用具有三个80V/10A半桥GaN功率模块LMG5200的三相逆变器来实现这一点,并且使用基于分流的相电流感测。氮化镓(GaN)晶体管可以比硅FET切换得快得多,并且在同一封装中将GaN FET和驱动器相集成,减少了寄生电感并且优化了开关性能,降低了损耗,从而允许缩小或消除散热器。TIDA-00909提供TI BoosterPack兼容接口,用于连接到C2000 MCU LaunchPad开发套件,以便进行性能评估

三相GaN逆变器参考设计TIDA-00909特性

具有宽输入电压范围12V~60V和7Arms/10Apeak输出电流的三相GaN逆变器,测试频率高达100kHz PWM。
GaN功率级,大大降低了开关损耗,允许高PWM开关
频率在100kHz PWM时的峰值效率高达98.5%。
LMG5200 GaN半桥功率级简化PCB布局,减少寄生电感,优化开关性能,小于2ns的上升/下降时间
更低的开关节点电压过冲和下冲,带有非常低的12.5ns死区
最小化相电压振铃,以及减少相电压失真和EMI
高精度(0.1%)的精密并联相电流检测
TI BoosterPack兼容接口,具有3.3V I/O,可通过C2000 MCU LaunchPad开发套件轻松进行性能评估

图3  三相GaN逆变器参考设计TIDA-00909外形图

三相GaN逆变器参考设计TIDA-00909应用

伺服驱动器和运动控制
计算机数控(CNC)驱动
制造机器人
服务机器人
非军事无人机

图4  三相GaN逆变器参考设计TIDA-00909框图

图5  TIDA-00909三相GaN逆变器拓扑
表1  TIDA-00909三相GaN逆变器主要指标


图6  TIDA-00909三相GaN逆变器PCB顶层视图

图7  TIDA-00909三相GaN逆变器PCB底层视图
表2  TIDA-00909三相GaN逆变器材料清单


详情:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmg5200.pdf
http://www.ti.com/lit/ug/tiduce7/tiduce7.pdf
https://www.ti.com/seclit/df/tidrok2/tidrok2.pdf
https://www.ti.com/seclit/df/tidrok3/tidrok3.pdf
https://www.ti.com/seclit/df/tidrok5/tidrok5.pdf

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