Transphorm TDHBG2500P100半桥评估板使用指南

在电力电子设计领域，评估板是工程师们验证电路性能、探索新器件特性的重要工具。今天，我们来详细了解一下Transphorm的TDHBG2500P100半桥评估板。

文件下载：TDHBG2500P100-KIT.pdf

一、评估板简介

TDHBG2500P100半桥评估板主要用于对开关特性和效率进行基础研究，它借助Transphorm的650V GaN FET构建了简单的降压或升压转换器。无论是降压还是升压模式，该电路都能配置为同步整流。通过跳线，既可以使用单个逻辑输入，也能使用独立的高/低输入。其高压输入和输出最高可承受400Vdc，功率输出最高达2.5kW。板上配备的电感器适用于100kHz的高效运行，但也可轻松替换为其他电感器并使用不同的频率。不过要注意，TDHBG2500P100 - KIT仅用于评估目的。

二、规格参数

输入输出规格

• 高压输入/输出：最大400Vdc。
• 辅助电源（J1）：最小10V，最大18V。
• 逻辑输入：标称0V - 5V。
• 脉冲生成电路：(V{lo}<1.5V)，(V{hi}>3.0V)；直接连接到栅极驱动器时：(V{lo}<0.8V)，(V{hi}>2.0V)。
• SMA同轴连接器：开关频率取决于配置，下限由电感峰值电流决定，上限由所需死区时间和功率耗散决定。GaN FET的功率耗散受最大结温限制，具体可参考TPH3212PS数据手册。

三、电路描述

电路组成

电路由一个简单的半桥构成，包含两个TPH3212PS GaN FET，如功能框图所示。提供了两个高压端口，根据配置（升压或降压），它们既可以作为输入，也可以作为输出。在任何一种模式下，一个FET作为有源功率开关，另一个则承载续流电流。后者可以作为同步整流器进行增强，也可以不增强。由于GaN FET的反向恢复电荷较低，因此无需额外的续流二极管。

信号输入

提供了两个输入连接器，可连接到高/低栅极驱动器的逻辑电平命令信号源。既可以使用板外信号源驱动两个输入，也可以将单个信号源连接到板上的脉冲生成电路，该电路会生成两个非重叠脉冲。跳线决定了输入信号的使用方式。

电感器

板上配备了一个440µH的环形电感器，旨在展示在100kHz开关频率下，对于高达2.5kW的功率，在尺寸和效率之间的合理折中。

四、使用方法

基本功能评估

该评估板可用于评估各种电路配置下的基本开关功能。它并非一个完整的电路，而是一个构建模块，可在稳态DC/DC转换器模式下使用，输出功率最高可达2.5kW。当以高功率（>1000W）运行时，需要使用外部风扇为散热器降温。

配置方式

电源连接

图3展示了降压和升压模式的基本电源连接方式。在降压模式下，HVdc输入（端子J2、J3）连接到高压电源，输出从端子J5和J7获取；在升压模式下，连接方式相反。需要注意的是，在升压模式下必须连接负载，负载电流会影响输出电压，直至从DCM（不连续导电模式）过渡到CCM（连续导电模式）；而在降压模式下，负载可以是开路。

栅极驱动信号配置

图4展示了栅极驱动信号的可能配置方式：

• 图4(a)：使用来自外部信号源的单个输入与板上脉冲生成电路配合。使用J4，J6开路。跳线JP1和JP2处于顶部位置。如果高端晶体管作为有源开关（如降压模式），则输入源的占空比应设置为所需占空比（D）；如果低端晶体管作为有源开关（如升压模式），则输入源的占空比应设置为（1 - D），其中D是低端开关的所需占空比。这种配置可实现同步整流。若希望承载续流电流的器件作为二极管工作，则应放置适当的跳线，使下拉电阻连接到驱动器。
• 图4(b)：展示了一种降压模式配置，其中低端器件未增强。
• 图4(c)：使用两个外部信号源作为栅极驱动器的输入。

无论采用何种配置，都必须在连接器J1处提供10V - 18V的辅助电源电压。下拉电阻R5和R6的值为4.99kΩ。如果使用50Ω信号源并希望进行50Ω端接，则可以用1206尺寸的50Ω电阻替换（或并联）R5和R6。

升压/降压模式操作

降压模式

当输入电压为400V，输出电压为48V时，占空比为12%，在2500W功率下可实现最大50A的输出电流。典型的400Vin - 200Vout降压操作，占空比为50%，在2500W功率下最大输出电流为6.5A。

升压模式

对于200Vin - 400Vout的升压模式操作，在2.5kW功率下，占空比为50%时可达到最大12.5A的输出电流。在高电流开关操作时，必须始终进行热冷却。

五、死区时间控制

栅极驱动信号的所需形式如图5所示。标记为A的时间是死区时间，此时两个晶体管均未导通。死区时间必须大于零，以避免直通电流。Si8230BB栅极驱动芯片根据连接到DT输入的电阻R7的值确保最小死区时间。死区时间（ns）等于电阻值（kΩ）×10，因此默认值12k对应120ns。这将增加输入信号中已有的任何死区时间。例如，板上脉冲生成电路会产生约60ns的死区时间。Q1和Q2栅极引脚处的最终死区时间约为240ns。短路或移除R7将使死区时间减少到60ns。

六、设计细节

电路原理图和PCB层

详细的电路原理图如图6所示，PCB层如图7所示（设计文件中也包含）。

物料清单

评估板的物料清单（BOM）见表1，其中包含了各种元件的设计代号、数量、值、描述、封装、零件编号和制造商等信息。

七、探测方法

板上提供了标记为测试点（LGS和LDS）的镀通孔，用于探测低端栅极脉冲和半桥开关节点波形。为了在测量过程中最小化电感，探头的尖端和接地端应直接连接到感应点，以最小化感应环路。为了安全、可靠和准确地测量，可以将示波器探头尖端直接焊接到低端FET漏极，并将短接地线焊接到低端FET源极。图8展示了一种无需焊接探头尖端的替代方法。

八、效率测量

图9展示了该电路在升压模式下，输入200Vdc、输出400Vdc，开关频率为50kHz和100kHz时的效率测量结果。

九、注意事项

• 该板没有针对过流或过压的特定保护。
• 如果在升压模式下使用板上脉冲生成电路，零输入对应于有源低端开关的100%占空比。

你在使用TDHBG2500P100半桥评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。