JAJU923 February   2024

 

  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 設計の考慮事項
    3. 2.3 主な使用製品
      1. 2.3.1 LMG2100
      2. 2.3.2 INA241A
      3. 2.3.3 LMR38010
  9. 3システム設計理論
    1. 3.1 3 相 GaN インバータの電力段
      1. 3.1.1 LMG2100 GaN ハーフブリッジ電力段
    2. 3.2 INA241A によるインライン シャントの高精度位相電流センシング
    3. 3.3 位相電圧および DC 入力電圧のセンシング
    4. 3.4 電力段の PCB 温度監視
    5. 3.5 パワー マネージメント
      1. 3.5.1 48V から 5V への DC/DC コンバータ
      2. 3.5.2 5V～3.3V レール
    6. 3.6 ホスト MCU へのインターフェイス
  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 TIDA-010936 の PCB の概要
      2. 4.1.2 TIDA-010936 のジャンパ設定
      3. 4.1.3 C2000™ MCU LaunchPad™ 開発キットへのインターフェイス
    2. 4.2 ソフトウェア要件
    3. 4.3 テスト設定
    4. 4.4 テスト結果
      1. 4.4.1 パワー マネージメントおよびシステムのパワーアップとパワーダウン
    5. 4.5 GaN インバータ ハーフブリッジ モジュールのスイッチ ノード電圧
      1. 4.5.1 48V DC バスでのスイッチ ノード電圧過渡応答
        1. 4.5.1.1 ±1A 時の出力電流
        2. 4.5.1.2 ±10A 時の出力電流
      2. 4.5.2 PWM 周波数の DC バス電圧リップルへの影響
      3. 4.5.3 効率の測定
      4. 4.5.4 熱解析
      5. 4.5.5 無負荷時の損失テスト (COSS 損失)
  11. 5設計とドキュメントのサポート
    1. 5.1 設計ファイル [必須トピック]
      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
  13. 7謝辞

4.5.3 効率の測定

効率テストは、HIOKI PW6001 電力アナライザと HIOKI CT6872 電流トランスを使用して、27℃のラボ温度で実施しました。TIDA-010936 の電源は DC 48V で、負荷として大電力サーボモーターを使用しました (72V、21A)。モーターにはダイナモメータで高負荷を供給しました。PWM キャリア周波数は 40Hz～80kHz に設定しました。モータ速度は 600RPM です。図 4-20 に、テストのセットアップと配線ブロック図の画像を示します。

これらのテストでは、ヒートシンクもファンも使用していないため、TIDA-010936 PCB の自然対流のみが適用されました。


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図 4-20 TIDA-010936 インバータの効率分析用テストのセットアップ

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図 4-21 TIDA-010936 インバータの効率分析用配線ブロック図

図 4-22 は、TIDA-010936 の電力損失と 3 相モーター負荷電流との関係を ARMS で示したものです。これらの数値には、C2000 MCU LaunchPad 開発キットの電力損失は含まれていません。


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図 4-22 TIDA-010936 48V 入力での基板損失と 3 相出力電流との関係

最大負荷電流 14.8ARMS での TIDA-010936 基板の電力損失は、40kHz PWM で 9.66W、80kHz PWM で 10.5W でした。TIDA-010936 の電力損失は、主に GaN FET (LMG2100) の損失と 1mΩ シャント抵抗の損失に左右されます。

図 4-23 に示すように、最大相間電圧 19.5VRMS‌ (3 次高調波による空間ベクトル PWM)、力率 0.9 での DC 48V における最大ピーク効率の理論値は、40kHz PWM で 99.3%、80kHz PWM で 99.2% です。

PWM スイッチング周波数が高くなっても、基板の電力損失は大幅に増加していないことに注目してください。このことは、LMG2100R044 GaN-FET のスイッチング損失が非常に小さいことも反映しており、PWM スイッチング周波数が高くても非常に高い効率を達成できます。

GUID-20240220-SS0I-LFVM-VHTR-4JNLVMW7PGJ6-low.svg図 4-23 48VDC、40/60/80kHz PWM 時の最大ピーク効率の計算値