TDPV1000E0C1单相同步逆变器评估板应用指南

一、引言

在当今的电力电子领域，氮化镓（GaN）功率晶体管凭借其卓越的性能优势，逐渐成为逆变器应用的理想选择。Transphorm公司推出的TDPV1000E0C1逆变器套件，为评估GaN功率晶体管在各种逆变器应用（如太阳能和不间断电源UPS）中的性能提供了便捷途径。

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该套件以经过验证的功能配置呈现了单相同步逆变器的主要特性，工作频率可达100kHz及以上。逆变器的核心是四个配置为全桥的GaN晶体管，它们与板上的栅极驱动电路紧密耦合，同时还具备灵活的微控制器选项和方便的PC通信连接。开关模式功率信号经过滤波后，可提供纯净的正弦输出。

二、套件内容

TDPV1000E0C1套件包含以下内容：

1. TDPV1000E0C1单相同步逆变器组件：这是整个套件的核心部分，实现了逆变器的主要功能。
2. 德州仪器F28035控制卡：微控制器所在的控制卡，可方便用户进行不同的控制算法实验。
3. 12V电源及通用交流适配器：为控制、通信和栅极驱动电路提供电源。
4. USB记忆棒上的相关媒体（文档和软件）：包含电路原理图、源代码等重要资料，方便用户进行开发和调试。
5. 高压直流输入电缆：用于连接高压直流电源。

三、注意事项

虽然该套件具备逆变器的主要功能，但它并非成品。使用时需注意以下几点：

1. 为保持设计简单并便于获取感兴趣的信号，电路板上存在暴露的高压节点。用户需根据自身实验室标准，提供足够的防护措施，防止意外接触或非专业人员使用。
2. 输出端未提供短路或过流保护。虽然交流输出端连接了电流感应装置，可用于过流保护，但不能假定随套件提供的固件包含此功能。

四、输入/输出规格

1. 输入：0 - 400Vdc
2. 输出：Vdc / 2 Vrms，频率为50/60Hz*，最大输出功率可达1000VA。输出频率可在软件中更改，出厂默认设置为60Hz。
3. PWM频率：100kHz至200kHz**。开关频率也可在软件中更改，出厂默认设置为100kHz。
4. 辅助电源（Vgg）：12Vdc

五、电路描述

1. 整体概述

TDPV1000E0C1逆变器是一个简单的全桥逆变器。两个GaN半桥由脉宽调制（PWM）命令信号驱动，以产生正弦变化的输出。输出滤波器可大幅去除开关频率，只保留50/60Hz的基波正弦波。高频（100kHz以上）PWM信号由德州仪器的微控制器生成，并直接连接到高速、高压栅极驱动器。通过隔离USB接口，可实现微控制器与外部的通信。除功率级的高压电源外，控制电路所需的所有电压均由一个12V输入提供。

2. 无二极管运行

该逆变器采用无二极管运行方式，续流电流由GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）自身承担，无需额外的续流二极管，这一特性有助于降低成本和提高效率。

3. 栅极驱动

高压集成驱动器为高低侧功率晶体管提供栅极驱动信号。选用的是600V高低侧驱动器（Silicon Labs Si8230系列），这些驱动器专为高速运行而设计，且不自动插入死区时间，死区时间由固件设置。

4. 输出滤波器

输出端采用简单的LCL滤波器（L3、L4、C37和C54 - 57），可衰减开关频率，在端子J4和J5处产生干净的正弦波形。演示板上使用的滤波器电感和电容经过精心选择，以实现低损耗、良好的开关频率衰减和小尺寸的最佳组合。一般来说，截止频率约为5 - 10kHz，以适应100kHz的开关频率。电感采用具有相对低磁导率（60 - 90）和软饱和特性的粉末磁芯。用户可更改电感和/或电容，以评估不同的滤波器设计。

5. 电流传感

霍尔传感器U8和U10为微控制器提供线性电流反馈。这些信号可用于控制输出功率流和/或防止短路，但随套件提供的固件并未实际使用此反馈。传感器通常采用Allegro ACS712 - 20A传感器，量程为±20A（100mV/A），且与±5A和±30A版本的ACS712引脚兼容，方便用户根据需要选择不同量程。

6. 通信

微控制器与计算机之间的通信通过标准USB电缆实现。隔离USB接口允许同时使用两个物理端口连接到微控制器：一个JTAG端口用于调试和加载固件，一个UART端口用于与主机应用程序通信。

7. 控制卡

微控制器位于一个可移动的控制卡上，该卡插入逆变器PCB上的DIM100插座。该插座可接受德州仪器C2000系列的多种控制卡。套件中提供的TMDSCNCD28035 Piccolo控制卡可让用户尝试各种调制和控制算法，且预加载了固件，可实现开箱即用。如果用户希望使用其他微控制器系列，可设计合适的控制卡插入DIM100插座。

8. 散热片

每个半桥的两个TO - 220 GaN晶体管安装在一个公共散热片上。该散热片在无强制气流的情况下，可满足1000W的运行需求。通过强制气流或更换更大、更有效的散热片，可进一步提高高功率下的效率。

9. 连接

• 交流输出电源：来自高压直流输入，通常为输出电压高达400Vdc的直流电源。高压电源配有一个22uF、低等效串联电阻（ESR）的薄膜电容器作为旁路电容，以及几个并联的低阻值陶瓷电容器。这些电容并非用于大量储能，而是假设电源或前级DC - DC阶段包含足够的输出电容。
• 控制、通信和栅极驱动电路：均由一个12V输入（Vgg）供电。随套件提供的墙插适配器可产生合适的电压（通常为12V）和功率水平。
• 隔离说明：只有USB端口是隔离的，板上的其他信号均参考高低压电源的负端，这些负端在PCB上连接在一起，散热片也连接到电源的负端。

10. 连接顺序

• 在给电路板通电之前，将微控制器卡插入DIM100连接器。若要使用预加载的固件，需确保移除跳线JP1，以释放JTAG端口，使微控制器从闪存启动。若要通过JTAG端口与主机通信，则应安装JP1。
• 在电源关闭的情况下，将高压电源连接到+/-输入（J2和J3）。若要使用负载，将其连接到输出端子（J4和J5）。
• 将Vgg（12V）插头插入插孔J1。LED1应亮起，表明5V和3.3V稳压器已通电。根据所使用的具体控制卡，控制卡上的一个或多个LED也会亮起，表明已通电。闪烁的LED表示固件正在运行。
• 若使用预加载的固件，无需连接计算机。若需要进行代码修改，则将USB电缆从计算机连接到USB连接器（CN3）。LED2应亮起，表明通过USB电缆提供了隔离的+5V电源。
• 打开高压电源。高压电源可立即开启或逐渐升高。

六、测试

1. 波形测试

图6展示了典型的波形。在没有多个接地连接的情况下，高压电源的负端是示波器测量的方便参考点。

2. 效率测试

图7显示了典型的效率结果。这些数据点对应于在静止空气中，每个功率水平下停留20分钟的效率测量值。使用横河WT1800功率分析仪测量350Vdc电源的输入功率和电阻性负载的输出功率。

七、物料清单

物料清单详细列出了套件中使用的各种元件，包括元件的数量、值、型号、制造商和制造商零件编号等信息，为用户的维修和替换提供了便利。

TDPV1000E0C1单相同步逆变器评估板为工程师提供了一个便捷的平台，用于评估GaN功率晶体管在逆变器应用中的性能。通过了解其特性、规格和使用方法，工程师可以更好地利用该套件进行产品开发和优化。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。