TDPV1000E0C1單相同步逆變器評估板應(yīng)用指南

一、引言

在當(dāng)今的電力電子領(lǐng)域，氮化鎵（GaN）功率晶體管憑借其卓越的性能優(yōu)勢，逐漸成為逆變器應(yīng)用的理想選擇。Transphorm公司推出的TDPV1000E0C1逆變器套件，為評估GaN功率晶體管在各種逆變器應(yīng)用（如太陽能和不間斷電源UPS）中的性能提供了便捷途徑。

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該套件以經(jīng)過驗(yàn)證的功能配置呈現(xiàn)了單相同步逆變器的主要特性，工作頻率可達(dá)100kHz及以上。逆變器的核心是四個配置為全橋的GaN晶體管，它們與板上的柵極驅(qū)動電路緊密耦合，同時還具備靈活的微控制器選項(xiàng)和方便的PC通信連接。開關(guān)模式功率信號經(jīng)過濾波后，可提供純凈的正弦輸出。

二、套件內(nèi)容

TDPV1000E0C1套件包含以下內(nèi)容：

1. TDPV1000E0C1單相同步逆變器組件：這是整個套件的核心部分，實(shí)現(xiàn)了逆變器的主要功能。
2. 德州儀器F28035控制卡：微控制器所在的控制卡，可方便用戶進(jìn)行不同的控制算法實(shí)驗(yàn)。
3. 12V電源及通用交流適配器：為控制、通信和柵極驅(qū)動電路提供電源。
4. USB記憶棒上的相關(guān)媒體（文檔和軟件）：包含電路原理圖、源代碼等重要資料，方便用戶進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試。
5. 高壓直流輸入電纜：用于連接高壓直流電源。

三、注意事項(xiàng)

雖然該套件具備逆變器的主要功能，但它并非成品。使用時需注意以下幾點(diǎn)：

1. 為保持設(shè)計(jì)簡單并便于獲取感興趣的信號，電路板上存在暴露的高壓節(jié)點(diǎn)。用戶需根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)，提供足夠的防護(hù)措施，防止意外接觸或非專業(yè)人員使用。
2. 輸出端未提供短路或過流保護(hù)。雖然交流輸出端連接了電流感應(yīng)裝置，可用于過流保護(hù)，但不能假定隨套件提供的固件包含此功能。

四、輸入/輸出規(guī)格

1. 輸入：0 - 400Vdc
2. 輸出：Vdc / 2 Vrms，頻率為50/60Hz*，最大輸出功率可達(dá)1000VA。輸出頻率可在軟件中更改，出廠默認(rèn)設(shè)置為60Hz。
3. PWM頻率：100kHz至200kHz**。開關(guān)頻率也可在軟件中更改，出廠默認(rèn)設(shè)置為100kHz。
4. 輔助電源（Vgg）：12Vdc

五、電路描述

1. 整體概述

TDPV1000E0C1逆變器是一個簡單的全橋逆變器。兩個GaN半橋由脈寬調(diào)制（PWM）命令信號驅(qū)動，以產(chǎn)生正弦變化的輸出。輸出濾波器可大幅去除開關(guān)頻率，只保留50/60Hz的基波正弦波。高頻（100kHz以上）PWM信號由德州儀器的微控制器生成，并直接連接到高速、高壓柵極驅(qū)動器。通過隔離USB接口，可實(shí)現(xiàn)微控制器與外部的通信。除功率級的高壓電源外，控制電路所需的所有電壓均由一個12V輸入提供。

2. 無二極管運(yùn)行

該逆變器采用無二極管運(yùn)行方式，續(xù)流電流由GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）自身承擔(dān)，無需額外的續(xù)流二極管，這一特性有助于降低成本和提高效率。

3. 柵極驅(qū)動

高壓集成驅(qū)動器為高低側(cè)功率晶體管提供柵極驅(qū)動信號。選用的是600V高低側(cè)驅(qū)動器（Silicon Labs Si8230系列），這些驅(qū)動器專為高速運(yùn)行而設(shè)計(jì)，且不自動插入死區(qū)時間，死區(qū)時間由固件設(shè)置。

4. 輸出濾波器

輸出端采用簡單的LCL濾波器（L3、L4、C37和C54 - 57），可衰減開關(guān)頻率，在端子J4和J5處產(chǎn)生干凈的正弦波形。演示板上使用的濾波器電感和電容經(jīng)過精心選擇，以實(shí)現(xiàn)低損耗、良好的開關(guān)頻率衰減和小尺寸的最佳組合。一般來說，截止頻率約為5 - 10kHz，以適應(yīng)100kHz的開關(guān)頻率。電感采用具有相對低磁導(dǎo)率（60 - 90）和軟飽和特性的粉末磁芯。用戶可更改電感和/或電容，以評估不同的濾波器設(shè)計(jì)。

5. 電流傳感

霍爾傳感器U8和U10為微控制器提供線性電流反饋。這些信號可用于控制輸出功率流和/或防止短路，但隨套件提供的固件并未實(shí)際使用此反饋。傳感器通常采用Allegro ACS712 - 20A傳感器，量程為±20A（100mV/A），且與±5A和±30A版本的ACS712引腳兼容，方便用戶根據(jù)需要選擇不同量程。

6. 通信

微控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信通過標(biāo)準(zhǔn)USB電纜實(shí)現(xiàn)。隔離USB接口允許同時使用兩個物理端口連接到微控制器：一個JTAG端口用于調(diào)試和加載固件，一個UART端口用于與主機(jī)應(yīng)用程序通信。

7. 控制卡

微控制器位于一個可移動的控制卡上，該卡插入逆變器PCB上的DIM100插座。該插座可接受德州儀器C2000系列的多種控制卡。套件中提供的TMDSCNCD28035 Piccolo控制卡可讓用戶嘗試各種調(diào)制和控制算法，且預(yù)加載了固件，可實(shí)現(xiàn)開箱即用。如果用戶希望使用其他微控制器系列，可設(shè)計(jì)合適的控制卡插入DIM100插座。

8. 散熱片

每個半橋的兩個TO - 220 GaN晶體管安裝在一個公共散熱片上。該散熱片在無強(qiáng)制氣流的情況下，可滿足1000W的運(yùn)行需求。通過強(qiáng)制氣流或更換更大、更有效的散熱片，可進(jìn)一步提高高功率下的效率。

9. 連接

• 交流輸出電源：來自高壓直流輸入，通常為輸出電壓高達(dá)400Vdc的直流電源。高壓電源配有一個22uF、低等效串聯(lián)電阻（ESR）的薄膜電容器作為旁路電容，以及幾個并聯(lián)的低阻值陶瓷電容器。這些電容并非用于大量儲能，而是假設(shè)電源或前級DC - DC階段包含足夠的輸出電容。
• 控制、通信和柵極驅(qū)動電路：均由一個12V輸入（Vgg）供電。隨套件提供的墻插適配器可產(chǎn)生合適的電壓（通常為12V）和功率水平。
• 隔離說明：只有USB端口是隔離的，板上的其他信號均參考高低壓電源的負(fù)端，這些負(fù)端在PCB上連接在一起，散熱片也連接到電源的負(fù)端。

10. 連接順序

• 在給電路板通電之前，將微控制器卡插入DIM100連接器。若要使用預(yù)加載的固件，需確保移除跳線JP1，以釋放JTAG端口，使微控制器從閃存啟動。若要通過JTAG端口與主機(jī)通信，則應(yīng)安裝JP1。
• 在電源關(guān)閉的情況下，將高壓電源連接到+/-輸入（J2和J3）。若要使用負(fù)載，將其連接到輸出端子（J4和J5）。
• 將Vgg（12V）插頭插入插孔J1。LED1應(yīng)亮起，表明5V和3.3V穩(wěn)壓器已通電。根據(jù)所使用的具體控制卡，控制卡上的一個或多個LED也會亮起，表明已通電。閃爍的LED表示固件正在運(yùn)行。
• 若使用預(yù)加載的固件，無需連接計(jì)算機(jī)。若需要進(jìn)行代碼修改，則將USB電纜從計(jì)算機(jī)連接到USB連接器（CN3）。LED2應(yīng)亮起，表明通過USB電纜提供了隔離的+5V電源。
• 打開高壓電源。高壓電源可立即開啟或逐漸升高。

六、測試

1. 波形測試

圖6展示了典型的波形。在沒有多個接地連接的情況下，高壓電源的負(fù)端是示波器測量的方便參考點(diǎn)。

2. 效率測試

圖7顯示了典型的效率結(jié)果。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)于在靜止空氣中，每個功率水平下停留20分鐘的效率測量值。使用橫河WT1800功率分析儀測量350Vdc電源的輸入功率和電阻性負(fù)載的輸出功率。

七、物料清單

物料清單詳細(xì)列出了套件中使用的各種元件，包括元件的數(shù)量、值、型號、制造商和制造商零件編號等信息，為用戶的維修和替換提供了便利。

TDPV1000E0C1單相同步逆變器評估板為工程師提供了一個便捷的平臺，用于評估GaN功率晶體管在逆變器應(yīng)用中的性能。通過了解其特性、規(guī)格和使用方法，工程師可以更好地利用該套件進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。