TDPS1000E0E10 半桥评估板的设计与应用解析

在电子工程领域，对于开关特性和效率的研究至关重要。今天我们就来详细探讨一下 Transphorm 的 TDPS1000E0E10 半桥评估板，它为我们研究开关特性和效率提供了一个很好的平台。

文件下载：TDPS1000E0E10-KIT.pdf

评估板简介

TDPS1000E0E10 半桥评估板为简单的降压或升压转换器提供了基本元件，可用于研究 Transphorm 的 600V GaN 功率开关的开关特性和效率。无论是降压还是升压模式，电路都可以配置为同步整流。评估板通过跳线可以选择使用单个逻辑输入或单独的高低输入。其高压输入和输出最高可在 400Vdc 下工作，功率输出最高可达 1kW。板上提供的电感适用于 100kHz 的高效运行，但也可以轻松更换其他电感和频率。

输入/输出规格

高压输入/输出

最大为 400Vdc，这为高压应用提供了可能。

辅助电源（J1）

电压范围在 10V 到 18V 之间，为评估板的正常运行提供稳定的辅助电源。

逻辑输入

标称值为 0 - 5V。对于脉冲生成电路，可直接连接到栅极驱动器，SMA 同轴连接器要求 (V{lo} < 1.5V) ， (V{hi} > 3.0V) ，或 (V{lo} < 0.8V) ， (V{hi} > 2.0V) 。

开关频率

开关频率取决于配置，下限由电感峰值电流决定，上限由所需的死区时间和功率耗散决定。HEMT 中的功率耗散受最大结温限制，具体可参考 TPH3006PS 数据手册。

电路描述

基本组成

电路由一个简单的半桥组成，包含两个 TPH3006PS GaN 功率晶体管。提供两个高压端口，根据配置（升压或降压）可作为输入或输出。在任何一种情况下，一个晶体管作为有源功率开关，另一个承载续流电流。由于 GaN 功率晶体管的反向恢复电荷低，不需要额外的续流二极管。

输入连接

提供两个输入连接器，可连接到高低栅极驱动器的逻辑电平命令信号源。两个输入可以由板外信号源驱动，也可以将单个信号源连接到板上的脉冲发生器电路，该电路会生成两个非重叠脉冲。跳线决定输入信号的使用方式。

电感

板上提供一个 320uH 的环形电感，旨在展示在 100kHz 开关频率下，对于高达 1kW 的功率，在尺寸和效率之间的合理折衷。

评估板使用方法

功能评估

该评估板可用于评估各种电路配置中的基本开关功能，它不是一个完整的电路，而是一个构建模块。可以在稳态 DC/DC 转换器模式下使用，输出功率最高可达 1kW。根据电路配置和所需的工作温度，在较高功率水平下可能需要强制空气流动。

配置方式

降压和升压模式连接

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 取出。升压模式下，连接方式相反。需要注意的是，升压模式下必须连接负载，负载电流会影响输出电压，直到从 DCM 过渡到 CCM。而降压模式下，负载可以是开路。

栅极驱动信号配置

有多种配置方式。可以使用单个外部信号源与板上脉冲生成电路配合，也可以使用两个外部信号源作为栅极驱动器的输入。无论哪种配置，都必须在连接器 J1 提供 10V - 18V 的辅助电源电压。如果使用 50 欧姆信号源并需要 50 欧姆终端，则可以将下拉电阻 R5 和 R6 替换（或并联）为 1206 尺寸的 50 欧姆电阻。

死区时间控制

栅极驱动信号的形式要求存在死区时间，即两个晶体管都不导通的时间，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（kohm）乘以 10，默认值 5.7k 对应 57ns。这会加上输入信号中已有的任何死区时间。板上脉冲发生器电路会产生约 60ns 的死区时间，最终 Q1 和 Q2 栅极引脚的死区时间约为 120ns。短路或移除 R7 可将死区时间减少到 60ns。

设计细节

电路原理图和物料清单

详细的电路原理图以 pdf 格式包含在文件中，物料清单如下表所示：	Qty	Value	Package	ID	Manf	Manf P/N
1		529802B02 500G	HS1	Aavid Thermalloy	529802B02500G
1		74LVC1G17 DBV	U3	Texas Instruments	SN74LVC1G17DBVR
1		DIODE-DO- 214AC	D1	Fairchild	ES1J
2	2.2uF 450V	ECW- FD2W225J	C18	Panasonic	ECW-FD2W225J
2	120ohm	FB0603	FB1, FB2	TDK	MMZ1608Q121B
1			J1	Molex	22-23-2021
2		JP2E	JP1, JP2	FCI	68001-403HLF
4		KEYSTONE_ 7691	J2, J3, J5, J7	Keystone	7691
1		LT3082	U1	Linear Technology	LT3082EST#PBF
1	320uH	TVH49164A	L1	CWS	Mag-Inc 77083 core; 63 turns AWG18
1	.1u	C-EUC1812	C7	Kemet	C1812V104KDRACTU
7	.1u	C-USC0603	C10, C11, C12, C14, C20, C21, C22	AVX	06033C104JAT2A
3	.1u		C-USC2225K C8, C16, C17	Vishay	VJ2225Y104KXGAT
1	5.76k	R-US_R0603 R7		Yageo	RC0603FR-075K76L
1	0	R-US_R1206 R9		Panasonic	ERJ-8GEY0R00V
1	10	R-US_R0805 R4		Panasonic	ERJ-6GEYJ100V
2	100pF	C-USC0603	C19, C23	AVX	06035A101FAT2A
1	10MEG	R-US_R1206 R3		Stackpole	HVCB1206FKC10M0
2	10u	C-EUC0805	C13, C15	Kemet	C0805C106M4PACTU
2	1k	R-US_R0603 R8, R10		Yageo	RC0603FR-071KL
1	1u	C-EUC0805	C2	Yageo	CC0805ZRY5V8BB105
1	2.2u	C-EUC0805	C3	TDK	C2012X5R1E225K125AC
1	0.68uF 630V	B32922C36 84M	C9	EPCOS	B32922C3684M
1	22u	C-USC1206	C1	TDK	C3225X7R1C226K250AC
3	4.7n	C-EUC1206	C4, C5, C6	Kemet	C1206C472KDRACTU
3	4.99k	R-US_R1206 R1, R5, R6		Stackpole	RMCF1206FT4K99
1	499k	R-US_R1206 R2		Stackpole	RMCF1206FT499K
2	74AHC1G86DBV	74AHC1G86 DBV	U4, U5	Texas Instruments	SN74AHC1G86DBVR
2	BAT54W	BAT54W	D2, D3	NXP	BAT54W
2	BU-SMA-G	BU-SMA-G	J4, J6	Molex	731000114
1	SI8230	SI8230	U2	Silicon Labs	SI8230BB-B-IS1
2	TPH3006PS	TPH_TO220 VERT_TRI	Q1, Q2	Transphorm	TPH3006PS
2	TPSPAD1-13	TPSPAD1-13	TP1, TP3		(TP2, TP4, TP5 DNI)
1	Q1 insulator (high side)			Bergquist	SP2000-0.015-00-54
1	Q2 insulator (low side)			Aavid Thermalloy	53-77-9G

探测与注意事项

探测方法

板上提供了标记为测试点 4 和 5（TP4、TP5）的镀通孔，用于探测开关波形。为了在测量过程中最小化电感，探头的尖端和接地应直接连接到感应点，以最小化感应回路。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 TP4，并将短接地线焊接到 TP5。也有不需要焊接探头尖端的替代方法。

注意事项

该评估板没有针对过流或过压的特定保护措施。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侧开关的 100% 占空比。

效率测试

在升压模式下，输入 200Vdc，输出 400Vdc，开关频率为 100kHz 时，对该电路的效率进行了测量。

通过对 TDPS1000E0E10 半桥评估板的详细分析，我们可以看到它在研究开关特性和效率方面的强大功能。电子工程师们可以根据实际需求，灵活配置和使用该评估板，以满足不同的设计要求。大家在使用过程中有没有遇到什么有趣的问题或者有更好的使用经验呢？欢迎在评论区分享。