低電壓、高速驅(qū)動器和/或低電感無刷電機需要在 40 kHz 至 100 kHz 范圍內(nèi)具有更高的逆變器開關(guān)頻率，以最大限度地減少電機中的損耗和轉(zhuǎn)矩紋波。TIDA-00909 參考設(shè)計通過使用帶有三個 80V/10A 半橋 GaN 電源模塊的三相逆變器LMG5200并使用基于分流的相電流感應(yīng)來實現(xiàn)這一點。氮化鎵 （GaN） 晶體管的開關(guān)速度比硅 FET 快得多，并且將 GaN FET 和驅(qū)動器集成在同一封裝中可降低寄生電感并優(yōu)化開關(guān)性能，從而減少損耗，從而縮小尺寸或消除散熱器。TIDA-00909 提供 TI BoosterPack 兼容接口，可連接到 C2000 MCU LaunchPad? 開發(fā)套件，以便輕松進行性能評估。
*附件：TIDA-00909 適用于高速驅(qū)動器的 48V-10A 高頻 PWM 三相 GaN 逆變器參考設(shè)計.pdf
特征
- 三相 GaN 逆變器具有 12V 至 60V 的寬輸入電壓范圍和 7Arms/10A 峰值輸出電流，經(jīng)測試高達 100 kHz PWM。
- GaN 功率級大大降低了開關(guān)損耗，可實現(xiàn)高 PWM 開關(guān)頻率，在 100 kHz PWM 下峰值效率高達 98.5%
- LMG5200 GaN 半橋功率級簡化了 PCB 布局，減少了寄生電感，從而優(yōu)化了開關(guān)性能，上升/下降時間小于 2ns。
- 極低的開關(guān)節(jié)點電壓過沖和下沖以及極低的 12.5ns 死區(qū)可最大限度地減少相電壓振鈴，并減少相電壓失真和 EMI。
- 基于分流器的精密相電流感應(yīng)，精度高 （0.1%）。
- 具有 3.3V I/O 的 TI BoosterPack 兼容接口，可通過 C2000 MCU LaunchPad? 開發(fā)套件輕松進行性能評估。
1. 設(shè)計概述
- ?應(yīng)用?：適用于高速驅(qū)動器的高頻PWM三相GaN逆變器參考設(shè)計。
- ?目標?：通過高頻切換減少電機損耗和扭矩波動，適用于低電壓、高速驅(qū)動器和低電感無刷電機。
2. 系統(tǒng)特性
- ?輸入電壓范圍?：12V至60V DC，標稱48V。
- ?最大三相輸出電流?：每相7A RMS（10A峰值）。
- ?PWM切換頻率?：高達100kHz。
- ?最大效率?：在100kHz PWM下可達98.5%。
- ?關(guān)鍵組件?：三個LMG5200 GaN半橋功率模塊，INA240電流感應(yīng)放大器。
3. 設(shè)計亮點
- ?GaN技術(shù)?：使用GaN FET，切換速度快，反向恢復(fù)為零，顯著降低切換損耗。
- ?集成驅(qū)動器?：LMG5200集成了GaN FET和驅(qū)動器，減少寄生電感，優(yōu)化切換性能。
- ?高精度電流感應(yīng)?：基于分流的相位電流感應(yīng)，精度高達0.1%。
- ?熱管理?：無需額外散熱片，優(yōu)化PCB布局實現(xiàn)高效熱管理。
4. 系統(tǒng)架構(gòu)
- ?三相逆變器拓撲?：采用B6逆變器拓撲，包含三個LMG5200 GaN半橋模塊。
- ?控制接口?：與C2000 MCU LaunchPad開發(fā)套件兼容，便于性能評估。
- ?電源管理?：集成48V至5V DC-DC轉(zhuǎn)換器和3.3V LDO，為系統(tǒng)供電。
5. 關(guān)鍵組件
- ?LMG5200?：80V、10A GaN半橋功率模塊，集成驅(qū)動器和GaN FET。
- ?INA240?：高精度電流感應(yīng)放大器，提供增強的PWM抑制功能。
- ?LM5018?：寬輸入電壓范圍（7.5V至100V）的同步降壓調(diào)節(jié)器。
6. 設(shè)計考慮
- ?PCB布局?：優(yōu)化功率循環(huán)路徑，最小化環(huán)路電感，確保低EMI。
- ?熱設(shè)計?：通過多層PCB和熱通孔實現(xiàn)高效熱傳導(dǎo)。
- ?保護機制?：包括過溫保護和欠壓鎖定保護，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
7. 測試與驗證
- ?效率測試?：在48V輸入、83W輸出功率下，40kHz PWM效率為94.3%，100kHz PWM效率為93.6%。
- ?熱分析?：在無散熱片和風(fēng)扇的自然對流條件下，評估了系統(tǒng)的熱性能。
- ?系統(tǒng)測試?：使用高速無刷DC電機和低電壓伺服電機進行了系統(tǒng)測試，驗證了設(shè)計的有效性和性能。
8. 設(shè)計文件與支持
- ?提供文件?：原理圖、BOM、PCB布局文件、Altium項目文件、Gerber文件、裝配圖紙和軟件文件。
- ?相關(guān)文檔?：包括LMG5200布局指南、GaN性能優(yōu)化白皮書等。
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