1 システムの説明

電力範囲 1.5kW で 12V～60V の低電圧 DC を供給する 3 相インバータは、協力ロボット、自動型モバイル ロボット、無人搬送車 (AGV)、サーボ ドローン、非軍事用ドローンなど、多くのアプリケーションで使用されています。

これらのアプリケーションの多くは、パワー エレクトロニクスがモーターに統合されているため、フォームファクターが小さくなっています。より小型でヒート シンクのない軽量な協力ロボットを製作するうえで、高い電力効率と電力密度は重要なパラメータです。

最大 100kHz の高いパルス幅変調 (PWM) スイッチング周波数は、DC バス コンデンサのサイズを縮小するのに役立ち、そのために電解コンデンサをセラミック コンデンサに置き換えることで、サイズと高さを小さくできます。さらに、特に低インダクタンスのブラシレス AC モーターではより精密な制御を実現するために、モーターの電流、さらにはトルク リップルを低減するために、より高い PWM スイッチング周波数が求められます。

その反対に、インバータの損失はスイッチング周波数が高くなるほど大きくなります。従来の低電圧 48V シリコン電界効果トランジスタ (Si-FET) インバータの場合、40kHz PWM 時のスイッチング損失は導通損失よりもすでに大幅に大きくなっているため、全体的な電力損失が圧倒的に大きくなっています。余分な熱を放散するためには、大型のヒート シンクが必要です。しかしながら、大型のヒート シンクはシステムのコスト、重量、占有面積の増加につながります。

この問題を解決するには、Si-FET に比べていくつかの利点がある GaN FET を使用することです。窒化ガリウム (GaN) トランジスタのスイッチング速度は、シリコン MOSFET よりかなり高速なので、スイッチング損失を低減できる可能性が高くなります。ただし、スルー レートが高い場合、パッケージ タイプによっては GaN FET のスイッチング性能が制限されることがあります。GaN FET とドライバを同一パッケージに統合しているので、寄生インダクタンスが小さくなり、スイッチング性能の最適化につながります。

TIDA-010936 リファレンス デザインは、100V、35A のハーフブリッジ GaN パワー モジュール LMG2100R044 を 3 個搭載した、小型フォーム ファクタの 3 相インバータを採用しています。LMG2100R044 は、ドライバと 2 個の 80V GaN FET を小型の 5.5mm × 4.5mm QFN パッケージに統合しており、ゲート ループと電源ループのインピーダンスが極めて低くなるよう最適化されています。PCB には、上面冷却タイプの LMG2100R040 GaN-FET パワー モジュールとともに取り付けるヒート シンク用の取り付け穴があります。内蔵のブートストラップ ダイオードにより、ハイサイド GaN-FET バイアス電源のスペースをさらに削減することができます。

高い直線性を持つ高精度でしかも小型のフォーム ファクタの位相電流を測定するために、このリファレンス デザインでは 1mΩ の低インピーダンスの位相電流シャントと、INA241 内蔵の PWM 除去機能により高い同相および AC 同相過渡耐性を持つ、差動高精度電流センス アンプ INA241 を採用しています。測定範囲は ±33A であり、ゼロ電流用のバイアス電圧 1.65V で 0V～3.3V のユニポーラ出力電圧に変換されます。

この 3 相 GaN インバータは、ハイサイド DC リンクシャントを使用し、構成可能な過電流スレッショルドを持つ高い同相ウィンドウ コンパレータを備えたハードウェア ベースの短絡保護を実現し、PMW バッファをオフにします。追加のフィードバックには、DC バス電圧と、PWM フィルタリング処理された 3 相電圧が含まれており、InstaSPIN-FOC のような高度なセンサレス設計の検証が可能です。

この 3 相インバータは 12V～60V の広い入力電圧範囲で動作し、LMG2100 ゲート ドライバと 3.3V バンドギャップ リファレンスに 5V レールを、INA241 電流センス アンプと温度スイッチに 3.3V レールを供給するオンボード パワーマネージメントを備えています。

TIDA-010936 はテキサス・インスツルメンツのブースタパックと互換の 3.3V I/O インターフェイスを採用しており、C2000 MCU LaunchPad 開発キットと接続して、迅速で容易な性能評価を可能にします。