ZHCUBT0 February 2024
功率范围为 1.5kW 的低压 12V 至 60V 直流馈电三相逆变器可用于许多应用，例如协作机器人、自动移动机器人、自动导航车 (AGV)、伺服和非军用无人机。
在其中的许多应用中，电力电子器件集成了电机，因此外形小巧。在构建尺寸更小、重量更轻且无散热器的协作机器人时，高电源效率和功率密度是关键参数。
高达 100kHz 的较高脉宽调制 (PWM) 开关频率有助于减少直流总线电容器数量；因此，可以通过使用陶瓷电容器代替电解电容器来减小尺寸和高度。此外，需要提高 PWM 开关频率来减小电流，进而降低电机的扭矩纹波，特别是在使用低电感无刷交流电机来实现更精确的控制时。
相反，逆变器损耗随开关频率提高而增大。对于传统的低压 48V 硅场效应晶体管 (Si-FET) 逆变器，40kHz PWM 下的开关损耗可能已经大大高于传导损耗，因此在总体功率损耗中占主导地位。为了耗散掉过多的热量，需要更大的散热器。但是，该散热器会增加系统成本、重量和空间。
这一问题的解决方案是使用 GaN FET，其与 Si-FET 相比具有多项优势。氮化镓 (GaN) 晶体管的开关速度可能比硅 MOSFET 快得多，因此可以实现更低的开关损耗。但是，在高压摆率下，某些封装类型会限制 GaN FET 的开关性能。将 GaN FET 和驱动器集成在同一封装内可以减少寄生电感并优化开关性能。
TIDA-010936 参考设计采用一个小型三相逆变器，而这个逆变器包含三个 100V、35A 半桥 GaN 电源模块 (LMG2100R044)。LMG2100R044 在 5.5mm × 4.5mm 的小型 QFN 封装内集成了驱动器和两个 80V GaN FET，并经优化具有极低的栅极环路阻抗和电源环路阻抗。PCB 为顶面冷却式 LMG2100R040 GaN-FET 电源模块及可选散热器提供了安装孔。集成的自举二极管有助于进一步减小高侧 GaN-FET 辅助电源的空间。
对于高线性度的精密和小尺寸相电流测量，该参考设计采用了低阻抗 1mΩ 相电流分流器和差分精密电流检测放大器 INA241。凭借 INA241 集成的 PWM 抑制功能，该参考设计具有高共模瞬态抗扰度和高交流共模瞬态抗扰度。测量范围为 ±33A，并会转换为 0V 至 3.3V 的单极输出电压，在偏置电压为 1.65V 时实现零电流。
该三相 GaN 逆变器使用高侧直流链路分流器和具有可配置过流阈值的高共模窗口比较器来提供基于硬件的短路保护，从而关闭 PWM 缓冲器。其他反馈包括直流总线电压以及经过 PWM 滤波的三相电压，支持对 InstaSPIN-FOC 等高级无传感器设计进行验证。
该三相逆变器可在 12V 至 60V 的宽输入电压范围内工作，并提供板载电源管理功能，可为 LMG2100 栅极驱动器和 3.3V 带隙基准提供 5V 电源轨，为 INA241 电流检测放大器和温度开关提供 3.3V 电源轨。
TIDA-010936 提供与 TI BoosterPack 兼容的 3.3V I/O 接口，用于连接到 C2000 MCU LaunchPad 开发套件，以便快速轻松评估性能。