如何为基于 GaN 的高压电池应用电机驱动设计宽输入电压范围和优化 PCB 布局

简介

一种具有30 V至140 V宽输入范围的电机驱动逆变器参考设计适用于80 V、110 V及以上电池系统。应用示例包括工业自动化系统、农业机械以及物料搬运设备（如叉车）。本文将讨论这些系统的现成参考设计的设计，重点是开发的 PCB 布局以优化所使用的 GaN FET 的性能。

150 V 额定电机驱动参考设计

EPC91200 是一款 150 V 额定的全配置电机驱动逆变器板，兼容 30 V 至 140 V 的直流母线电压。该设计采用了 EPC2305，一种150 V额定的 GaN FET，其典型导通电阻为2.2 mΩ。该参考设计板旨在直接应用于使用80 V至110 V电池的各种应用。板的原理图如图1所示。

EPC2305 与 EPC 所有 QFN 离散 FET 脚位兼容，因此也可以用于 EPC2302 和 EPC2304，分别额定为 100 V 和 200 V，或者低 RDS(on) 版本的 EPC2306、EPC2308、EPC2307，分别额定为 100 V、150 V 和 200 V。如果使用了不同电压额定的 FET，仅需修改测量直流母线和相电压的分压器以优化测量范围。

设计特点

图2分别展示了 EPC91200 的顶部和底部的主要特点。

相电流通过 ACS37003系列的电流检测IC测量。这些元件的低内部电阻（265 µΩ）有助于降低板上的发热并将逆变器的损耗降到最低。目前，该系列仅包括与3.3 V电源兼容的设备，而3.3 V也是控制EPC电机驱动板的微控制器的电源电压。然而，EPC91200也可以组装成使用同系列的5 V电流检测IC，因为板上有一个信号调节电路，将信号从5 V范围转换为3.3 V范围。

一个全双向过流保护电路由任何一个相电流触发，以防止意外故障。正向和负向过流阈值可以通过电阻调整，过流信号的时间常数由连接到栅极驱动器关闭信号的RC滤波器设置。

5 V电源通过使用 LNK306 的电路生成，适用于 30 V 至 150 V 的直流电压范围。直流连接电容器为100 V陶瓷电容器，堆叠使用以达到150 V能力。今天使用两个100 V额定的堆叠电容器比使用200 V额定的电容器在等效电容面积方面有更好的权衡。

EPC91200 兼容所有 EPC 的控制器卡，这些控制器卡可以与包括 ST 微电子、德州仪器、Microchip 和 Renesas 在内的多个厂商的微控制器板接口。针对所有这些控制器的磁场定向控制（FOC）固件可用，板上的 J80 接口使其能够连接霍尔传感器或增量编码器。

PCB 布局方法

EPC91200 的 PCB 布局已优化，重点是输入直流连接器和相连接器之间的直流电阻，因为在电机驱动应用中，导通电阻和PCB电阻对整体损耗有重要影响。

用于将逆变器连接到电机的 Würth Redcube 压入式相连接器提供了优良的欧姆接触。连接器的公版本被用于板上，只需螺栓和垫圈即可将板连接到电机电缆上。

此外，板的叠层（如图3所示）已被优化以保持较厚的铜层紧挨着顶层：前两个内层为4盎司（140 µm）厚，这使得大部分直流电流和热量能够扩散。两个中央层被用于布线大部分模拟和数字信号。其余的层是前三层的镜像以保持对称性。

此外，已使用与PCB编辑器集成的有限元分析工具分析了电流密度分布和直流迹线电阻，以验证在GaN FET下面使用较厚铜层的效果。

与直流-直流 GaN 应用不同，这些应用需要在 GaN FET 的同一侧放置高频环路去耦电容器，并在另一侧放置额外的中频电容器，因为开关节点的快速转换。电机驱动逆变器的转换速度较慢。因此，可以减少去耦电容器的数量并将其重新定位到 PCB 的另一侧。这一调整为 FET 侧的铜平面留出了更多空间，有助于散热并最小化铜电阻。

结论

总之，EPC91200 电机驱动逆变器参考设计为各种应用提供了多功能解决方案，包括使用如 80 V 和 110 V 电池系统的应用。该板是一款通用电机驱动逆变器，既可与磁场定向控制技术一起使用，也可与传感器连接，并在每条支路上提供双向过流保护，且可以调整阈值。通过有限元分析工具验证了 PCB 布局的优化以最小化 PCB 的直流电阻损耗。

通过利用 GaN FET 技术的优势和 PCB 设计的考量，EPC91200 展示了在各种电机驱动应用中的效率、可靠性和适应性。凭借其宽输入电压范围和布局优化，EPC91200 为设计高性能电机驱动系统的工程师提供了现成的解决方案。

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Federico Unnia, Senior Application Engineer - Motor Drive