Transphorm TDHBG2500P100半橋評(píng)估板使用指南

在電力電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，評(píng)估板是工程師們驗(yàn)證電路性能、探索新器件特性的重要工具。今天，我們來詳細(xì)了解一下Transphorm的TDHBG2500P100半橋評(píng)估板。

文件下載：TDHBG2500P100-KIT.pdf

一、評(píng)估板簡(jiǎn)介

TDHBG2500P100半橋評(píng)估板主要用于對(duì)開關(guān)特性和效率進(jìn)行基礎(chǔ)研究，它借助Transphorm的650V GaN FET構(gòu)建了簡(jiǎn)單的降壓或升壓轉(zhuǎn)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(gè)邏輯輸入，也能使用獨(dú)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(dá)2.5kW。板上配備的電感器適用于100kHz的高效運(yùn)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(píng)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(biāo)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(qū)動(dòng)器時(shí)：(V{lo}<0.8V)，(V{hi}>2.0V)。
• SMA同軸連接器：開關(guān)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(shí)間和功率耗散決定。GaN FET的功率耗散受最大結(jié)溫限制，具體可參考TPH3212PS數(shù)據(jù)手冊(cè)。

三、電路描述

電路組成

電路由一個(gè)簡(jiǎn)單的半橋構(gòu)成，包含兩個(gè)TPH3212PS GaN FET，如功能框圖所示。提供了兩個(gè)高壓端口，根據(jù)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(gè)FET作為有源功率開關(guān)，另一個(gè)則承載續(xù)流電流。后者可以作為同步整流器進(jìn)行增強(qiáng)，也可以不增強(qiáng)。由于GaN FET的反向恢復(fù)電荷較低，因此無需額外的續(xù)流二極管。

信號(hào)輸入

提供了兩個(gè)輸入連接器，可連接到高/低柵極驅(qū)動(dòng)器的邏輯電平命令信號(hào)源。既可以使用板外信號(hào)源驅(qū)動(dòng)兩個(gè)輸入，也可以將單個(gè)信號(hào)源連接到板上的脈沖生成電路，該電路會(huì)生成兩個(gè)非重疊脈沖。跳線決定了輸入信號(hào)的使用方式。

電感器

板上配備了一個(gè)440μH的環(huán)形電感器，旨在展示在100kHz開關(guān)頻率下，對(duì)于高達(dá)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(píng)估

該評(píng)估板可用于評(píng)估各種電路配置下的基本開關(guān)功能。它并非一個(gè)完整的電路，而是一個(gè)構(gòu)建模塊，可在穩(wěn)態(tài)DC/DC轉(zhuǎn)換器模式下使用，輸出功率最高可達(dá)2.5kW。當(dāng)以高功率（>1000W）運(yùn)行時(shí)，需要使用外部風(fēng)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?。辉谏龎耗Ｊ较?，連接方式相反。需要注意的是，在升壓模式下必須連接負(fù)載，負(fù)載電流會(huì)影響輸出電壓，直至從DCM（不連續(xù)導(dǎo)電模式）過渡到CCM（連續(xù)導(dǎo)電模式）；而在降壓模式下，負(fù)載可以是開路。

柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)配置

圖4展示了柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的可能配置方式：

• 圖4(a)：使用來自外部信號(hào)源的單個(gè)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(guān)（如降壓模式），則輸入源的占空比應(yīng)設(shè)置為所需占空比（D）；如果低端晶體管作為有源開關(guān)（如升壓模式），則輸入源的占空比應(yīng)設(shè)置為（1 - D），其中D是低端開關(guān)的所需占空比。這種配置可實(shí)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(yīng)放置適當(dāng)?shù)奶€，使下拉電阻連接到驅(qū)動(dòng)器。
• 圖4(b)：展示了一種降壓模式配置，其中低端器件未增強(qiáng)。
• 圖4(c)：使用兩個(gè)外部信號(hào)源作為柵極驅(qū)動(dòng)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(hào)源并希望進(jìn)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(dāng)輸入電壓為400V，輸出電壓為48V時(shí)，占空比為12%，在2500W功率下可實(shí)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(duì)于200Vin - 400Vout的升壓模式操作，在2.5kW功率下，占空比為50%時(shí)可達(dá)到最大12.5A的輸出電流。在高電流開關(guān)操作時(shí)，必須始終進(jìn)行熱冷卻。

五、死區(qū)時(shí)間控制

柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的所需形式如圖5所示。標(biāo)記為A的時(shí)間是死區(qū)時(shí)間，此時(shí)兩個(gè)晶體管均未導(dǎo)通。死區(qū)時(shí)間必須大于零，以避免直通電流。Si8230BB柵極驅(qū)動(dòng)芯片根據(jù)連接到DT輸入的電阻R7的值確保最小死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間（ns）等于電阻值（kΩ）×10，因此默認(rèn)值12k對(duì)應(yīng)120ns。這將增加輸入信號(hào)中已有的任何死區(qū)時(shí)間。例如，板上脈沖生成電路會(huì)產(chǎn)生約60ns的死區(qū)時(shí)間。Q1和Q2柵極引腳處的最終死區(qū)時(shí)間約為240ns。短路或移除R7將使死區(qū)時(shí)間減少到60ns。

六、設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

電路原理圖和PCB層

詳細(xì)的電路原理圖如圖6所示，PCB層如圖7所示（設(shè)計(jì)文件中也包含）。

物料清單

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

七、探測(cè)方法

板上提供了標(biāo)記為測(cè)試點(diǎn)（LGS和LDS）的鍍通孔，用于探測(cè)低端柵極脈沖和半橋開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形。為了在測(cè)量過程中最小化電感，探頭的尖端和接地端應(yīng)直接連接到感應(yīng)點(diǎn)，以最小化感應(yīng)環(huán)路。為了安全、可靠和準(zhǔn)確地測(cè)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(cè)量

圖9展示了該電路在升壓模式下，輸入200Vdc、輸出400Vdc，開關(guān)頻率為50kHz和100kHz時(shí)的效率測(cè)量結(jié)果。

九、注意事項(xiàng)

• 該板沒有針對(duì)過流或過壓的特定保護(hù)。
• 如果在升壓模式下使用板上脈沖生成電路，零輸入對(duì)應(yīng)于有源低端開關(guān)的100%占空比。

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