TIDA-00909 适用于高速驱动器的 48V/10A 高频 PWM 三相 GaN 逆变器参考设计

低电压、高速驱动器和/或低电感无刷电机需要在 40 kHz 至 100 kHz 范围内具有更高的逆变器开关频率，以最大限度地减少电机中的损耗和转矩纹波。TIDA-00909 参考设计通过使用带有三个 80V/10A 半桥 GaN 电源模块的三相逆变器LMG5200并使用基于分流的相电流感应来实现这一点。氮化镓 （GaN） 晶体管的开关速度比硅 FET 快得多，并且将 GaN FET 和驱动器集成在同一封装中可降低寄生电感并优化开关性能，从而减少损耗，从而缩小尺寸或消除散热器。TIDA-00909 提供 TI BoosterPack 兼容接口，可连接到 C2000 MCU LaunchPad™ 开发套件，以便轻松进行性能评估。
*附件：TIDA-00909 适用于高速驱动器的 48V-10A 高频 PWM 三相 GaN 逆变器参考设计.pdf

特征

• 三相 GaN 逆变器具有 12V 至 60V 的宽输入电压范围和 7Arms/10A 峰值输出电流，经测试高达 100 kHz PWM。
• GaN 功率级大大降低了开关损耗，可实现高 PWM 开关频率，在 100 kHz PWM 下峰值效率高达 98.5%
• LMG5200 GaN 半桥功率级简化了 PCB 布局，减少了寄生电感，从而优化了开关性能，上升/下降时间小于 2ns。
• 极低的开关节点电压过冲和下冲以及极低的 12.5ns 死区可最大限度地减少相电压振铃，并减少相电压失真和 EMI。
• 基于分流器的精密相电流感应，精度高 （0.1%）。
• 具有 3.3V I/O 的 TI BoosterPack 兼容接口，可通过 C2000 MCU LaunchPad™ 开发套件轻松进行性能评估。

1. 设计概述

• ‌应用‌：适用于高速驱动器的高频PWM三相GaN逆变器参考设计。
• ‌目标‌：通过高频切换减少电机损耗和扭矩波动，适用于低电压、高速驱动器和低电感无刷电机。

2. 系统特性

• ‌输入电压范围‌：12V至60V DC，标称48V。
• ‌最大三相输出电流‌：每相7A RMS（10A峰值）。
• ‌PWM切换频率‌：高达100kHz。
• ‌最大效率‌：在100kHz PWM下可达98.5%。
• ‌关键组件‌：三个LMG5200 GaN半桥功率模块，INA240电流感应放大器。

3. 设计亮点

• ‌GaN技术‌：使用GaN FET，切换速度快，反向恢复为零，显著降低切换损耗。
• ‌集成驱动器‌：LMG5200集成了GaN FET和驱动器，减少寄生电感，优化切换性能。
• ‌高精度电流感应‌：基于分流的相位电流感应，精度高达0.1%。
• ‌热管理‌：无需额外散热片，优化PCB布局实现高效热管理。

4. 系统架构

• ‌三相逆变器拓扑‌：采用B6逆变器拓扑，包含三个LMG5200 GaN半桥模块。
• ‌控制接口‌：与C2000 MCU LaunchPad开发套件兼容，便于性能评估。
• ‌电源管理‌：集成48V至5V DC-DC转换器和3.3V LDO，为系统供电。

5. 关键组件

• ‌LMG5200‌：80V、10A GaN半桥功率模块，集成驱动器和GaN FET。
• ‌INA240‌：高精度电流感应放大器，提供增强的PWM抑制功能。
• ‌LM5018‌：宽输入电压范围（7.5V至100V）的同步降压调节器。

6. 设计考虑

• ‌PCB布局‌：优化功率循环路径，最小化环路电感，确保低EMI。
• ‌热设计‌：通过多层PCB和热通孔实现高效热传导。
• ‌保护机制‌：包括过温保护和欠压锁定保护，确保系统稳定运行。

7. 测试与验证

• ‌效率测试‌：在48V输入、83W输出功率下，40kHz PWM效率为94.3%，100kHz PWM效率为93.6%。
• ‌热分析‌：在无散热片和风扇的自然对流条件下，评估了系统的热性能。
• ‌系统测试‌：使用高速无刷DC电机和低电压伺服电机进行了系统测试，验证了设计的有效性和性能。

8. 设计文件与支持

• ‌提供文件‌：原理图、BOM、PCB布局文件、Altium项目文件、Gerber文件、装配图纸和软件文件。
• ‌相关文档‌：包括LMG5200布局指南、GaN性能优化白皮书等。