适用于集成驱动器的三相1.25kW、200VAC 小型 GaN逆变器参考设计

此参考设计是一款三相逆变器，在 50°C 环境温度下的连续额定功率为 1.25 kW，在 85°C 环境温度下的连续额定功率为 550 W，用于驱动 200 V 交流伺服电机。它采用 600V LMG3411R150氮化镓 （GaN） 电源模块，集成 FET 和栅极驱动器，安装在 1.95mm 绝缘金属基板 （IMS） 板上，可实现高效散热。隔离和控制电路安装在单独的 FR-4 板上 - 设计尺寸为 80 mm × 46 mm × 37 mm，包括散热器、控制、隔离和功率级。这种超小的外形尺寸，加上自然对流无风扇冷却的能力，允许驱动器与电机轻松集成，在 6 轴电机应用（包括机器人、CNC 机床等）中，所需的机柜空间减少多达 50%，电缆长度减少多达 90 米。

*附件：设计指南 — TIDA-00915.pdf

特征

• 600V、6A LMG3411R150 GaN 在 50°C 环境条件下可实现高达 1.25kW 的功率密度，在 85°C 环境条件下高达 550W
• 超小外形和自然对流无风扇冷却允许轻松集成驱动器，从而节省电机的占地面积和布线成本
• 非常快速的开关转换 （<5 ns） 和最小的开关节点电压振铃降低了 EMI
• 高效功率级（32kHz PWM 时峰值效率为 >99%）减小了散热器尺寸
• 栅极欠压、器件过流和过热保护

1. 设计概述

• ‌设计名称‌：TIDA-00915
• ‌描述‌：三相1.25kW、200VAC小型GaN逆变器参考设计，适用于集成驱动器。
• ‌特点‌：高效率、高功率密度、小型化设计，支持自然对流无风扇冷却。

2. 关键组件

• ‌主要芯片‌：LMG3411R150 GaN FET，集成FET和栅极驱动器。
• ‌隔离器‌：ISO7721，提供3000V RMS隔离。
• ‌控制器‌：C2000™ F280049C控制卡。
• ‌辅助芯片‌：TL431（可调分流稳压器）、TLV1117（低压差稳压器）。

3. 系统架构

• ‌系统组成‌：包括电源板、隔离板和接口板。
• ‌电源板‌：2层IMS PCB，采用6个LMG3411R150 GaN模块。
• ‌隔离板‌：4层FR-4 PCB，包含ISO7721隔离器和逻辑电路。
• ‌接口板‌：4层FR-4 PCB，连接控制卡和隔离板。

4. 设计特点

• ‌高效率‌：峰值效率超过99%，显著降低热沉尺寸。
• ‌高功率密度‌：150W/in³的功率密度。
• ‌快速开关‌：开关过渡时间小于5ns，降低EMI。
• ‌保护功能‌：包括栅极欠压、过流和过温保护。

5. 应用领域

• ‌电机集成驱动器‌
• ‌伺服驱动器‌
• ‌CNC机器‌
• ‌机器人技术‌

6. 设计规格

• ‌输入电压‌：DC 200-400V
• ‌输出电压‌：三相200V AC
• ‌输出电流‌：3.5A RMS（50°C），1.5A RMS（85°C）
• ‌开关频率‌：最高32kHz（85°C），最高100kHz（室温）
• ‌保护特性‌：
  • 栅极驱动电源欠压保护（8.5V）
  • 逐周期过流保护（30A）
  • 过温保护（165°C）

7. 硬件实现

• ‌PCB设计‌：采用多层板设计，优化布局以减小寄生电感。
• ‌热设计‌：使用热界面材料（TIM）和散热片，确保高效散热。
• ‌隔离与保护‌：通过数字隔离器实现控制板与功率级之间的隔离。

8. 测试与验证

• ‌测试设备‌：包括高速示波器、高压隔离探头、功率分析仪等。
• ‌测试结果‌：
  • 峰值效率：16kHz时99.37%，32kHz时99%。
  • 热性能：在50°C环境温度下，最大输出电流为3.5A（16kHz）和3A（32kHz）。

9. 设计文件与资源

• ‌原理图‌：提供详细的电路原理图。
• ‌ 物料清单（BOM） ‌：列出所有组件及其规格。
• ‌PCB布局建议‌：包括布局打印文件和Altium项目文件。
• ‌相关文档‌：链接到相关的应用报告和白皮书。

10. 注意事项

• ‌高压安全‌：设计中包含高压部分，测试时需采取适当的安全措施。
• ‌高温警告‌：部分组件和PCB表面在运行过程中可能达到高温，需避免烫伤。