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

4.4.3 320VDC バス電圧でのスイッチ ノードの過渡応答

C2000 マイコンは、16kHz のスイッチング周波数と 150ns のデッドタイムの相補 PWM を使って 3 相空間ベクトルを生成するように構成しました。位相ごとの PWM デューティ サイクルは、対応する位相の DC 電流 IU を、IV = IW = –0.5 IU の条件で駆動するように構成しました。

LMG3422 の ‌U 相のスイッチ ノード電圧は、テスト用に設けられた 2 つのビアに挿入して上側の LMG3422 のソースと PGND に当てたピグテール プローブによって測定しました (図 4-6 を参照)。

TIDA-010255 LMG3422 のスイッチ ノードの相電圧の測定図 4-6 LMG3422 のスイッチ ノードの相電圧の測定

下図は、ハード スイッチングとソフト スイッチングを図示するため、±1A と ±4A の相電流における U 相のスイッチ ノードの過渡応答の概要を示しています。

±1A では、120ns という短いデッドタイムの間にハーフブリッジの実効出力容量を放電 (または充電) するのに、相電流 U が十分な大きさではないことがわかります。したがって、対応する GaN-FET は、より低いドレイン - ソース間電圧を使ってではありますが、引き続き部分的にハード スイッチングを行っています。たとえば図 4-7 では、上側 GaN-FET はターンオフし、下側 GaN-FET は第 3 象限モードに切り替わっています。寄生出力容量に起因して、U 相の電圧の低下は、各ハーフブリッジの実効的な寄生出力容量によって左右されます。120ns のデッドタイムの後、実効寄生出力容量は 1A の印加電流で 320V から約 250V まで放電されます。したがって、下側の GaN-FET は引き続き 250V から 0V までハード スイッチングされます。

図 4-7 を使って図 4-14 から見た相電流の発振 (4.5Apeak、約 10MHz、ハード スイッチングの持続時間 500ns) は、1m のケーブルと AC 誘導モーターの寄生容量とインダクタンスによるものです。

図 4-15 と図 4-16 に示すように、200VAC サーボ モーターの場合、20cm のケーブルを使用すると、発振が大幅に小さくなります。

TIDA-010255 U 相の立ち上がりエッジの波形 (1A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)図 4-7 U 相の立ち上がりエッジの波形 (1A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)
TIDA-010255 U 相の立ち下がりエッジの波形 (1A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)図 4-8 U 相の立ち下がりエッジの波形 (1A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)
TIDA-010255 U 相の立ち上がりエッジの波形 (-1A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)図 4-9 U 相の立ち上がりエッジの波形 (-1A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)
TIDA-010255 U 相の立ち下がりエッジの波形 (-1A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)図 4-10 U 相の立ち下がりエッジの波形 (-1A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)
TIDA-010255 U 相の立ち上がりエッジの波形 (4A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)図 4-11 U 相の立ち上がりエッジの波形 (4A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)
TIDA-010255 U 相の立ち下がりエッジの波形 (4A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)図 4-12 U 相の立ち下がりエッジの波形 (4A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)
TIDA-010255 U 相の立ち上がりエッジの波形 (-4A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)図 4-13 U 相の立ち上がりエッジの波形 (-4A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)
TIDA-010255 U 相の立ち下がりエッジの波形 (-4A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)図 4-14 U 相の立ち下がりエッジの波形 (-4A 時、1m ケーブルを AC 誘導モーターに接続)

ハード スイッチング モードでの立ち上がりエッジのスルーレート (20% から 80% まで) は約 32V/ns、ハード スイッチング モードでの立ち下がりエッジのスルーレート (80% から 20% まで) は約 30V/ns であり、LMG3422R030 で設定された 30V/ns のターンオン スルーレートに近い値です。

±4A 以上の相電流では、相電流 U は十分大きく、短いデッドタイムの間にハーフブリッジの実効寄生出力容量を完全に放電 (または充電) できるため、対応する GaN-FET はソフト スイッチングします。ソフト スイッチング中の相電圧の低下から、各ハーフブリッジの実効出力容量は、式 4 を使って推定できます。

式 4. COSS,HB=iUΔVU×Δt=4 A192 V×60 ns=1.25 nF

静電容量 COSS,HB は基本的に、下側と上側の GaN-FET の CO(tr) と、対応する PCB、モーターのケーブル、モーターの寄生容量の和です。詳細な解析については、「効率の測定」セクションを参照してください。

図 4-15 と図 4-16 に示すように、相電流の発振は主にモーター ケーブルとモーター巻線に起因します。ケーブルが短いほど、発振振幅のピークは小さくなり、発振周波数は高くなります。寄生発振のピーク振幅と周波数は負荷電流にはほとんど依存しませんでした。1m ケーブルを ‌AC 誘導モーターに接続した場合と比較して、ハード スイッチング時の発振のピーク振幅は 80% 減少し (5Apeak から 1Apeak)、周波数は 10MHz から 40MHz に増加し、持続時間は 500ns から 200ns 未満に短縮されます。

TIDA-010255 U 相の立ち上がりエッジの波形 (2A 時、0.2m ケーブルを PM 誘導モーターに接続)図 4-15 U 相の立ち上がりエッジの波形 (2A 時、0.2m ケーブルを PM 誘導モーターに接続)
TIDA-010255 U 相の立ち下がりエッジの波形 (2A 時、0.2m ケーブルを PM 誘導モーターに接続)図 4-16 U 相の立ち下がりエッジの波形 (2A 時、0.2m ケーブルを PM 誘導モーターに接続)