JAJU912 November   2023

 

  1.   1
  2.   概要
  3.   参照情報
  4.   特長
  5.   アプリケーション
  6.   6
  7. 1システムの説明
    1. 1.1 主なシステム仕様
  8. 2システム概要
    1. 2.1 ブロック図
    2. 2.2 主な使用製品
      1. 2.2.1 LMG3422R030
      2. 2.2.2 ISO7741
      3. 2.2.3 AMC1306M05
      4. 2.2.4 AMC1035
      5. 2.2.5 TPSM560R6H
      6. 2.2.6 TPSM82903
  9. 3システム設計理論
    1. 3.1 パワー スイッチ
      1. 3.1.1 GaN-FET の選択基準
      2. 3.1.2 HVBUS のデカップリングと 12V ブートストラップ電源
      3. 3.1.3 GAN_FET のターンオン スルーレートの設定
      4. 3.1.4 PWM 入力フィルタとデッドタイムの計算
      5. 3.1.5 信号レベル シフト
      6. 3.1.6 LMG3422R030 故障通知
      7. 3.1.7 LMG3422R030 の温度監視
    2. 3.2 相電流のセンシング
      1. 3.2.1 シャント
      2. 3.2.2 AMC1306M05 のアナログ入力フィルタ
      3. 3.2.3 AMC1306M05 デジタル インターフェイス
      4. 3.2.4 AMC1306M05 電源
    3. 3.3 DC リンク (HV_BUS) 電圧の検出
    4. 3.4 位相電圧の検出
    5. 3.5 制御電源
    6. 3.6 MCU インターフェイス
  10. 4ハードウェア、ソフトウェア、テスト要件、テスト結果
    1. 4.1 ハードウェア要件
      1. 4.1.1 PCB
      2. 4.1.2 MCU インターフェイス
    2. 4.2 ソフトウェア要件
    3. 4.3 テスト設定
      1. 4.3.1 事前の注意事項
      2. 4.3.2 テスト方法
    4. 4.4 テスト結果
      1. 4.4.1 24V 入力制御電源
      2. 4.4.2 PWM から位相電圧スイッチ ノードまでの伝搬遅延時間
      3. 4.4.3 320VDC バス電圧でのスイッチ ノードの過渡応答
      4. 4.4.4 320VDC および 16kHz PWM での相電圧の直線性と歪み
      5. 4.4.5 インバータの効率と温度特性
        1. 4.4.5.1 効率の測定
        2. 4.4.5.2 320VDC、16kHz PWM、ヒートシンクなしでの熱解析と SOA
  11. 5設計とドキュメントのサポート
    1. 5.1 デザイン ファイル
      1. 5.1.1 回路図
      2. 5.1.2 BOM
      3. 5.1.3 PCB レイアウトに関する推奨事項
        1. 5.1.3.1 レイアウト プリント
      4. 5.1.4 Altium プロジェクト
      5. 5.1.5 ガーバー ファイル
      6. 5.1.6 アセンブリの図面
    2. 5.2 ツールとソフトウェア
    3. 5.3 ドキュメントのサポート
    4. 5.4 サポート・リソース
    5. 5.5 商標
  12. 6著者について

1 システムの説明

IEC 61800-9 エネルギー クラス IES2 に対応する高いエネルギー効率を達成した AC 入力 3 相インバータは、世界的なエネルギー消費量の低減に貢献するだけでなく、ヒートシンクのサイズが小さい小型高電力密度設計を可能にします。モーターが機械的可動システム (6 軸ロボットなど) の一部になっている産業用ロボットおよびファクトリ オートメーション アプリケーションで使われるモーター内蔵型サーボ ドライブでは特に、フォーム ファクタと重量は重要な役割を果たします。

モーター内蔵型 3 相インバータにはしばしば、単相 200～230VAC 入力 (整流された 320VDC に相当) から電力を供給します。入力電力レベルは通常 3kW 未満です。現在、230VAC 入力サーボ ドライブの大半は、8kHz～16kHz の PWM スイッチング周波数を採用した IGBT ベースのパワー スイッチを利用しています。絶縁ゲート型バイポーラ トランジスタ (IGBT) の電力損失に起因して、ヒートシンクのサイズは 3 相インバータ全体のサイズの 30% よりも大きくなることがあります。

窒化ガリウム (GaN) パワー トランジスタは、8kHz～16kHz という低いパルス幅変調 (PWM) スイッチング周波数であっても、IGBT に比べて電力損失を大幅に低減するのに役立ちます。LMG3422R030 などのドライバ内蔵型 GaN-FET は、スイッチング損失と導通損失の両方を低減することで、16kHz PWM で 99.4% のピーク効率を達成できます。これにより、従来型 IGBT ベース 3 相インバータに比べて、総合電力損失を 1/4 以下に低減できます (このリファレンス デザインの 7ARMS 出力位相電流を参照)。

TIDA-010255 リファレンス デザインは、6 つの高速スイッチング LMG3422R030 600V 30mΩ GaN-FET を使って、高効率、ホット側 MCU 制御の 320VDC、2kW、3 相出力段を実現しています。LMG3422R030 は、ドライバ、保護機能、温度通知機能を内蔵しているため、外部保護および温度監視回路のためのシステム コストを低減できると同時に、信頼性を向上させるのに有効です。インダクタとブートストラップ電源を内蔵した降圧モジュールにより、パワー マネージメントとゲート駆動バイアス電源の占有面積を低減できます。1mΩ の同相電流シャントと ±50mV 入力の強化絶縁型変調器 AMC1306M05 とを使用して、高精度で直線性の高い位相電流検出を実現します。MCU グランド (GND) がパワー GND (DC–) と等しいホット側制御に起因して、DC リンク電圧と 3 相電圧を検出するのに絶縁は不要です。非絶縁型 AMC1035 デルタ シグマ変調器が DC リンク電圧を測定します。非絶縁型アナログ位相電圧帰還方式を使うと、12 ビット ADC 内蔵 C2000 MCU を使用した InstaSPIN-FOC などの高度なセンサレス設計が可能です。

産業用ドライブを使用してテキサス・インスツルメンツの GaN 技術を評価するため、このリファレンス デザインでは、C2000 MCU controlCARD (F28379D controlCARD など) と組み合わせて使うための 180 ピン HSEC コネクタと、その他のマイコン (Sitara AM2631、AM2431 など) に接続するための標準ヘッダーのどちらかで 3.3V I/O インターフェイス信号を提供しています。

このリファレンス デザインは、室温でヒートシンクを使わず、320VDC の DC リンク電圧、16kHz PWM、最大 7.7ARMS (連続) の 3 相出力電流を使ってテスト済みです。大電流または高い周囲温度でテストする場合、PCB の裏側にヒートシンクを取り付けることができます。PCB には取り付け穴があります。