Transphorm TDHBG2500P100半橋評估板使用指南

在電力電子設計領域，評估板是工程師們驗證電路性能、探索新器件特性的重要工具。今天，我們來詳細了解一下Transphorm的TDHBG2500P100半橋評估板。

文件下載：TDHBG2500P100-KIT.pdf

一、評估板簡介

TDHBG2500P100半橋評估板主要用于對開關特性和效率進行基礎研究，它借助Transphorm的650V GaN FET構建了簡單的降壓或升壓轉換器。無論是降壓還是升壓模式，該電路都能配置為同步整流。通過跳線，既可以使用單個邏輯輸入，也能使用獨立的高/低輸入。其高壓輸入和輸出最高可承受400Vdc，功率輸出最高達2.5kW。板上配備的電感器適用于100kHz的高效運行，但也可輕松替換為其他電感器并使用不同的頻率。不過要注意，TDHBG2500P100 - KIT僅用于評估目的。

二、規(guī)格參數(shù)

輸入輸出規(guī)格

• 高壓輸入/輸出：最大400Vdc。
• 輔助電源（J1）：最小10V，最大18V。
• 邏輯輸入：標稱0V - 5V。
• 脈沖生成電路：(V{lo}<1.5V)，(V{hi}>3.0V)；直接連接到柵極驅動器時：(V{lo}<0.8V)，(V{hi}>2.0V)。
• SMA同軸連接器：開關頻率取決于配置，下限由電感峰值電流決定，上限由所需死區(qū)時間和功率耗散決定。GaN FET的功率耗散受最大結溫限制，具體可參考TPH3212PS數(shù)據手冊。

三、電路描述

電路組成

電路由一個簡單的半橋構成，包含兩個TPH3212PS GaN FET，如功能框圖所示。提供了兩個高壓端口，根據配置（升壓或降壓），它們既可以作為輸入，也可以作為輸出。在任何一種模式下，一個FET作為有源功率開關，另一個則承載續(xù)流電流。后者可以作為同步整流器進行增強，也可以不增強。由于GaN FET的反向恢復電荷較低，因此無需額外的續(xù)流二極管。

信號輸入

提供了兩個輸入連接器，可連接到高/低柵極驅動器的邏輯電平命令信號源。既可以使用板外信號源驅動兩個輸入，也可以將單個信號源連接到板上的脈沖生成電路，該電路會生成兩個非重疊脈沖。跳線決定了輸入信號的使用方式。

電感器

板上配備了一個440μH的環(huán)形電感器，旨在展示在100kHz開關頻率下，對于高達2.5kW的功率，在尺寸和效率之間的合理折中。

四、使用方法

基本功能評估

該評估板可用于評估各種電路配置下的基本開關功能。它并非一個完整的電路，而是一個構建模塊，可在穩(wěn)態(tài)DC/DC轉換器模式下使用，輸出功率最高可達2.5kW。當以高功率（>1000W）運行時，需要使用外部風扇為散熱器降溫。

配置方式

電源連接

圖3展示了降壓和升壓模式的基本電源連接方式。在降壓模式下，HVdc輸入（端子J2、J3）連接到高壓電源，輸出從端子J5和J7獲??；在升壓模式下，連接方式相反。需要注意的是，在升壓模式下必須連接負載，負載電流會影響輸出電壓，直至從DCM（不連續(xù)導電模式）過渡到CCM（連續(xù)導電模式）；而在降壓模式下，負載可以是開路。

柵極驅動信號配置

圖4展示了柵極驅動信號的可能配置方式：

• 圖4(a)：使用來自外部信號源的單個輸入與板上脈沖生成電路配合。使用J4，J6開路。跳線JP1和JP2處于頂部位置。如果高端晶體管作為有源開關（如降壓模式），則輸入源的占空比應設置為所需占空比（D）；如果低端晶體管作為有源開關（如升壓模式），則輸入源的占空比應設置為（1 - D），其中D是低端開關的所需占空比。這種配置可實現(xiàn)同步整流。若希望承載續(xù)流電流的器件作為二極管工作，則應放置適當?shù)奶€，使下拉電阻連接到驅動器。
• 圖4(b)：展示了一種降壓模式配置，其中低端器件未增強。
• 圖4(c)：使用兩個外部信號源作為柵極驅動器的輸入。

無論采用何種配置，都必須在連接器J1處提供10V - 18V的輔助電源電壓。下拉電阻R5和R6的值為4.99kΩ。如果使用50Ω信號源并希望進行50Ω端接，則可以用1206尺寸的50Ω電阻替換（或并聯(lián)）R5和R6。

升壓/降壓模式操作

降壓模式

當輸入電壓為400V，輸出電壓為48V時，占空比為12%，在2500W功率下可實現(xiàn)最大50A的輸出電流。典型的400Vin - 200Vout降壓操作，占空比為50%，在2500W功率下最大輸出電流為6.5A。

升壓模式

對于200Vin - 400Vout的升壓模式操作，在2.5kW功率下，占空比為50%時可達到最大12.5A的輸出電流。在高電流開關操作時，必須始終進行熱冷卻。

五、死區(qū)時間控制

柵極驅動信號的所需形式如圖5所示。標記為A的時間是死區(qū)時間，此時兩個晶體管均未導通。死區(qū)時間必須大于零，以避免直通電流。Si8230BB柵極驅動芯片根據連接到DT輸入的電阻R7的值確保最小死區(qū)時間。死區(qū)時間（ns）等于電阻值（kΩ）×10，因此默認值12k對應120ns。這將增加輸入信號中已有的任何死區(qū)時間。例如，板上脈沖生成電路會產生約60ns的死區(qū)時間。Q1和Q2柵極引腳處的最終死區(qū)時間約為240ns。短路或移除R7將使死區(qū)時間減少到60ns。

六、設計細節(jié)

電路原理圖和PCB層

詳細的電路原理圖如圖6所示，PCB層如圖7所示（設計文件中也包含）。

物料清單

評估板的物料清單（BOM）見表1，其中包含了各種元件的設計代號、數(shù)量、值、描述、封裝、零件編號和制造商等信息。

七、探測方法

板上提供了標記為測試點（LGS和LDS）的鍍通孔，用于探測低端柵極脈沖和半橋開關節(jié)點波形。為了在測量過程中最小化電感，探頭的尖端和接地端應直接連接到感應點，以最小化感應環(huán)路。為了安全、可靠和準確地測量，可以將示波器探頭尖端直接焊接到低端FET漏極，并將短接地線焊接到低端FET源極。圖8展示了一種無需焊接探頭尖端的替代方法。

八、效率測量

圖9展示了該電路在升壓模式下，輸入200Vdc、輸出400Vdc，開關頻率為50kHz和100kHz時的效率測量結果。

九、注意事項

• 該板沒有針對過流或過壓的特定保護。
• 如果在升壓模式下使用板上脈沖生成電路，零輸入對應于有源低端開關的100%占空比。

你在使用TDHBG2500P100半橋評估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。