如何設計寬輸入電壓範圍及優化 PCB 佈局以應用於高壓電池的 GaN 馬達驅動器

簡介

一款具有 30 V 至 140 V 寬輸入範圍的馬達驅動逆變器參考設計適用於 80 V、110 V 等電池系統。此類應用範例包括工業自動化系統、農業機械和物料搬運設備（例如堆高機）。本文探討針對這些系統的即用型參考設計的設計重點，特別是針對使用 GaN FETs 的 PCB 佈局進行的性能優化。

150 V 額定馬達驅動參考設計

EPC91200 是一款 150 V 額定、完全配置的馬達驅動逆變器板，兼容 30 V 至 140 V 的直流母線電壓。此設計採用了 EPC2305，一款 150 V 額定 GaN FET，具有 2.2 mΩ 的典型導通電阻。此參考設計板可直接用於各種使用 80 V 至 110 V 電池的應用。該板的原理示意圖如圖 1 所示。

EPC2305 與 EPC 的所有 QFN 分立 FET 針腳兼容，因此也可以使用 EPC2302 和 EPC2304，分別為 100 V 和 200 V 額定，或者使用更低 RDS(on) 的版本 EPC2306、EPC2308 和 EPC2307，分別額定為 100 V、150 V 和 200 V。如果使用不同電壓額定的 FET，僅需修改測量直流母線和相電壓的分壓器以優化測量範圍。

設計特點

圖 2 分別展示了 EPC91200 的頂部和底部主要特徵。

相電流是通過 ACS37003 系列的電流感測 IC 測量的。這些元件的低內阻（265 µΩ）有助於減少板上的發熱，並最小化逆變器的損耗。目前該系列僅包含一款兼容 3.3 V 電源的元件，這也是控制 EPC 馬達驅動板的微控制器的電壓供應。然而，EPC91200 可以組裝同系列的 5 V 電源電流感測 IC，因為板上配備一個將信號從 5 V 範圍轉換至 3.3 V 範圍的調節電路。

全雙向過電流保護電路可由任何一相電流觸發，以防止不必要的故障。正負過電流閾值可以通過電阻調整，而過電流信號的時間常數是通過連接到閘極驅動器關斷信號的 RC 濾波器設置的。

5 V 電源的生成是通過使用 Power Integrations LNK306 的電路實現的，使其適合於 30 V 至 150 V 的直流電壓範圍。直流鏈接電容器為 100 V 陶瓷電容，並堆疊以達到 150 V 的能力。當前使用兩個 100 V 額定堆疊電容器比使用 200 V 額定電容器在等效電容與面積的權衡上更具優勢。

EPC91200 與所有 EPC 的控制卡兼容，這些卡可與來自 ST Microelectronics、德州儀器、Microchip 和瑞薩的微控制器板連接。所有這些控制器的磁場定向控制（FOC）韌體均可用，板上的 J80 連接器可連接霍爾傳感器或正交編碼器。

PCB 佈局方法

EPC91200 的 PCB 佈局進行了優化，重點是從輸入直流連接器到相連接器之間的直流電阻，因為在馬達驅動應用中，導通電阻和 PCB 電阻對總損耗影響重大。

用於將逆變器連接到馬達的 Würth Redcube 壓接式相連接器提供了出色的歐姆接觸。該板使用了接頭的公制版本，只需螺栓和墊圈即可將板連接到馬達電纜。

此外，板的層疊結構（如圖 3 所示）進行了優化，以保持較厚的銅層緊貼頂層。前兩個內層厚度為 4 oz.（140 µm），允許大多數直流電流和熱量分佈。兩個中央層主要用於路由大多數的模擬和數字信號。其餘層則與前三層鏡像以保持對稱。

此外，已使用與 PCB 編輯器集成的有限元分析工具分析了電流密度分佈和直流走線電阻，以驗證在 GaN FETs 下方使用較厚銅層的效果。

與直流-直流 GaN 應用不同，這些應用需要在 GaN FETs 的同一側布置高頻回路去耦電容器，並在另一側添加中頻電容器以應對切換節點的快速過渡，馬達驅動逆變器的過渡較慢。因此，可以減少去耦電容器的數量，並將其重新定位到 PCB 的另一側。此調整為 FETs 這一側的銅平面提供了更多空間，有助於分散 FETs 產生的熱量並最小化銅電阻。

結論

總之，EPC91200 馬達驅動逆變器參考設計為廣泛應用提供了一個多功能解決方案，包括使用 80 V 和 110 V 電池系統的應用。該板是一個通用馬達驅動逆變器，可用於磁場定向控制技術或與傳感器接口，每條腿均具有雙向過電流保護，並可調整閾值。通過有限元分析工具驗證的 PCB 佈局優化最小化了 PCB 直流電阻造成的損耗。

通過利用 GaN FET 技術和 PCB 設計考量，EPC91200 展示了效率、可靠性和適應性，適用於多樣化的馬達驅動應用。憑藉其寬輸入電壓範圍和佈局優化，EPC91200 為設計高性能馬達驅動系統的工程師提供了一個即用型解決方案。

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Federico Unnia, Senior Application Engineer - Motor Drive