前言

近年新能源汽車發展迅猛，與之相關的配套產業，如電池、充電樁等也迅速興起。但目前從技術方面來看，對充電體驗影響尤為關鍵的的充電時長、充電安全等問題亟需解決，這些都聚焦于大功率直流充電樁。

要打造更快速、更安全、更智能的充電樁，功率轉換模塊、高性能實時微控制器和支持更高開關頻率的功率器件是必要的，此外對特殊的安全和可靠性也提出更高要求。

高性能實時微控制器

說到高性能實時微控制器，德州儀器（TI） C2000? 微控制器在市場上占據份額較高，在中國市場也是久負盛名，早已廣泛用于電力電子控制領域，并在工業和汽車應用中提供高級數字信號處理。

C2000 微控制器具有微控制器和數字信號處理器雙重優勢，同時集成更高級的外設則可以滿足復雜拓撲結構設計。在過去 20 多年間，C2000 微控制器一直處于模數控制革命的前沿，經過不斷發展，現在的第三代性能更為出色：擁有更強的運算能力、更豐富的外設資源。

第三代半導體技術積累

針對快速充電樁高效率、高功率密度設計目標，需要使用到以 GaN 氮化鎵為代表的第三代半導體器件，TI 在這個領域也已經積累了豐富的技術經驗。

TI 對 GaN 的布局可追溯到 2010 年，而且通過不斷嘗試新架構，使 GaN 適應更廣的電壓范圍，比如 800V、1000V（可參考），這也為將來在充電樁上看到GaN的身影帶來了更大的可能性，如 TI 基于氮化鎵的 11kW 三級三相 ANPC 參考設計。

為了保證高可靠性，目前 TI 已經針對 GaN FET 進行了 4000 多萬小時的器件可靠性測試和超過 5 GWh 的功率轉換應用測試。同時，為了進一步提高可靠性和集成度，TI 推出了 GaN 與驅動集成的器件。更為亮眼的是，TI 在 GaN 方面擁有自己的工藝和工廠，因此可以確保產品品質和供應的穩定性保障。

憑借在充電樁領域的領先技術與布局，德州儀器可以助力客戶打造性能優異且高效高可靠性的大功率直流充電樁產品，加快客戶產品投放市場的節奏，從而獲得先發優勢。

本地合作，TI 攜手特來電打造更加高效的充電網

電動汽車充電設施是中國構建新型電力和交通基礎設施的重要組成部分，TI 的模擬和嵌入式處理產品以及全方位的技術支持，正在助力客戶設計先進的充電設備，實現對電動汽車進行更快、更安全且更智能地充電。未來將通過對制造工藝效率的升級和迭代，以新技術助推降本增效，以新產品為充電樁及其他高壓產業賦能。

針對市場需求和用戶痛點，TI 與合作伙伴特來電攜手，在電動汽車的直流/交流充電樁，功率分配單元等領域進行密切合作，助力客戶實現高效率，大功率的充電解決方案，提供更高功率密度和更高集成度。

在電動汽車充電領域，特來電構建了充電網-微電網-儲能網-數據網“四網融合”的新能源和新交通雙向交互的全新產業。TI 基于最新一代 C2000 微控制器進行的方案級創新，和基于 GaN FET 以及專門針對 SiC FET 的智能驅動解決方案，為特來電的業務拓展提供強有力支持。

基于氮化鎵的 11kW 三級三相 ANPC 參考設計

模塊概述

隨著用戶對充電速度和便利性需求的不斷提高，TI 推出了一款基于氮化鎵的 11kW 三級三相 ANPC 參考設計 TIDA-010210。這款參考設計內置氮化鎵開關管，開關頻率高達 100kHz，支持交流三相 400V 供電，支持 800V 直流系統應用，輸出功率達 11kW。此外支持雙向運行，可選擇逆變器模式或 PFC 模式運行。

這款參考設計采用子卡式的模塊化結構設計，便于比較 GaN 和 SiC 器件性能。底部主板包括濾波器，傳感電子器件，偏置電源，開關繼電器和冷卻風扇，并由六個氮化鎵子卡和三個硅 MOS 子卡和一塊控制板組成。子卡的功率器件配有散熱片，并配有散熱風扇為功率器件散熱。底部主板使用四層 PCB 分離信號和電源布線。

TI這款參考設計使用新型的開關邏輯，將 18 個開關的 PWM 需求減少為12 個，參考設計采用 TMS320F280049 C2000 實時微控制器，內置 16 位，3.5MSPS 的智能 ADC+Sigma Delta 濾波器模塊，內置高性能浮點 DSP 內核，支持 150ps 高分辨率 PWM 。片上可配置邏輯塊（CLB）實現逐周期高壓保護，無需外部 FPGA，并使用隔離式分流放大器進行輸出電流檢測。

參考設計中采用集成驅動和保護功能的 LMG3410R050 600V GaN FET，高開關頻率可降低損耗，提高效率。多電平方式支持使用 600V 耐壓的氮化鎵器件，并支持更高開關頻率。內置 UCC21541 雙通道隔離式柵極驅動器用于驅動硅半橋，內置 AMC3302 隔離放大器用于進行分流式電流感測。

特性

  • 三相逆變器和 PFC 的功率級
  • 800V 系統中額定電壓為 600V 的開關（由于三個級別）
  • 使用 C2000 的 CLB 提供全新的板載保護功能
  • Iso 四通道驅動器支持高頻運行 (100KHz)
  • 基于分流器的電流檢測功能（在溫度范圍內提供高精度和高線性度）

應用領域

TI 這款基于氮化鎵的 11kW 雙向三相 ANPC 參考設計 TIDA-010210 可用于直流快速充電站，電動汽車充電站電源模塊，功率變換系統，單相組串式逆變器和三相組串式逆變器。滿足新能源汽車充電，光伏發電以及儲能領域應用。

應用器件

TMS320F280049C

首先是整個參考設計的核心元件 TMS320F280049C ，這是一款 C2000 系列的實時微控制器，芯片主頻為 100MHz，內部集成 FPU 和 CLA，內置256KB 閃存和 100KB RAM。可用于工業電機驅動，電機控制，光伏逆變器，數字電源，電動車輛與運輸，自動控制，感應和信號調理用途。用于逆變升壓/整流以及全橋LLC電路控制。

這顆實時微控制器進行輸入輸出電壓和電流采集，通過內部的控制邏輯，將控制信號輸出到驅動器，推動開關管實現電壓轉換。

ISO7741

所有使用數字芯片控制的電源方案，都離不開使用隔離驅動器進行控制單元與功率器件的隔離，在這款參考設計中使用了 ISO7741 高速數字隔離器，這款數字隔離器具備 100Mbps 的數據速率。支持 -55到125℃ 工作溫度，穩健可靠的隔離等級和浪涌能力可滿足多種使用條件。

參考設計中使用 ISO7741 進行氮化鎵功率級的驅動，多個隔離通道不僅支持驅動信號傳輸，還支持過熱，過電流故障信號的反向傳輸。通過多個隔離通道，將以上異常信號傳輸給 MCU，實現實時的保護控制。

LMG3422R030

氮化鎵功率器件采用 LMG3422R030 ，這是一款內部集成驅動器，保護功能和溫度報告功能的氮化鎵器件，面向硬開關拓撲應用。器件支持 2.2MHz 開關頻率，支持 30V/ns 到 150V/ns 的壓擺率。器件內部集成驅動器，并結合 TI 的低電感封裝，可提供干凈的開關和超小的振鈴。

LMG3422R030 內部集成電流檢測，支持器件級的過流保護功能，支持逐周期過流保護和鎖定的短路保護。

UCC21541

用于硅 MOS 驅動的驅動器為 UCC21541 ，也是一款隔離驅動器，內部具備兩個獨立的驅動通道，用于驅動MOS管，取代NPC拓撲中的二極管，使用 MOS 管作為有源開關提高效率和功率密度。

UCC21541 具備加強的絕緣能力，適用于隔離功率轉換應用，適用于服務器，電信工業基礎設施應用，可用于電機驅動和光伏逆變器，以及工業運輸等場合。

SN6501

介紹完驅動器和氮化鎵器件，接下來介紹 TI 的隔離電源驅動芯片。在實際應用中，隔離電源驅動芯片通常與隔離驅動器共同使用，為隔離驅動器供電，從而實現控制電路與功率電路的隔離。

在這款參考設計中，采用 TI 推出的 SN6501 隔離電源變壓器驅動器來為隔離驅動器供電。SN6501 支持 5V 或者 3.3V 單電源供電，采用 SOT23 封裝，應用簡單，使用靈活。

SN6501 內部集成振蕩器，柵極驅動電路和雙 NMOS 管，外圍元件僅需一顆電容。可通過變壓器繞組和二極管進行不同電壓和不同極性的隔離電源供電，滿足小尺寸小功率隔離電源應用。

TPS563200

通常控制電源都采用開關降壓搭配線性穩壓的方式，實現高效降壓，并輸出不同器件所需要的 3.3 和 5V 供電。其中同步降壓芯片采用 TPS563200，支持 17V 輸入電壓，最大輸出電流為 3A，外圍元件精簡，且支持使用陶瓷電容和聚合物電容。

TPS563200 具備軟啟動功能，具備逐周期過流保護，具備自恢復的過壓保護，欠壓保護和過熱保護功能。

LP5907

搭配使用的穩壓芯片為 LP5907，是一顆輸出電流為 250mA 的超低噪聲線性穩壓芯片，用于提供 3.3V 輸出，為模擬傳感和邏輯電路供電。

LP5907 是一顆低噪聲，高 PSRR，低靜態電流的 LDO，具有出色的噪聲性能和負載響應。輸入輸出支持使用陶瓷電容，器件具備使能控制，為固定電壓輸出，提供多種輸出電壓選擇和不同封裝。

AMC3302

電流輸出檢測對于雙向逆變來說十分重要，高精度的輸出檢測可以進行精確的過流保護，確保系統安全。TI發揮隔離優勢，推出了一款內置隔離供電轉換器的 AMC3302 增強型隔離放大器，通過使用取樣電阻，進行完全隔離的電流采樣。

AMC3302 是霍爾效應傳感器的高精度替代品，具備出色的直流精度和低溫漂。器件內部集成隔離電源和隔離放大器，小尺寸封裝。

OPA4376

對于雙向逆變來說，運放也是不可或缺的，OPA4376 是一顆低噪聲，低靜態電流的四路精密運算放大器，用于將AMC3302輸出的差分電流信號轉換為單端，供 TMS320F280049C 的 ADC 進行測量。

OPA4376 支持軌對軌輸入和輸出，提供多種封裝，可用于 ADC 緩沖，音頻設備，醫療儀器，手持測試設備等應用。

TLV9004

雙向逆變的直流母線，逆變輸出電壓以及電網的電壓均通過運放進行采集，采用 TLV9004 四通道運算放大器配合高阻值電阻進行電壓信號采集，供 TMS320F280049C 的 ADC 進行測量。

TLV9004 支持軌對軌輸入和輸出，具備低噪聲和低靜態電流，可用于傳感器信號調節，有源濾波器，低側電流檢測，探測器，可穿戴設備和家用電器。

LMT87

最后是用于各個板卡的溫度傳感器，通過使用多個溫度傳感器，可以精確的檢測不同區域的溫度，及時進行過熱保護，避免過熱造成損壞。這款雙向逆變參考設計采用 LMT87 溫度傳感器，具有快速熱時間響應常量，且具有低靜態電流和高精確度。

LMT87 具有 SOT，TO92S 和 TO92 三種封裝，能夠滿足不同的應用場合，滿足汽車，儀表，動力傳動系統，煙霧熱量探測器，無人機和家用電器使用。

相關測試

TI 基于氮化鎵的 11kW 三級三相 ANPC 參考設計的一些實際測試結果如下：

開路狀態下測試輸出電壓波形，新的PWM方案輸出為干凈的正弦波形。激活基于CLB的保護功能，保證低失真輸出。

參考設計中使用SCT3060AL碳化硅器件的效率超過98%，使用TI LMG3410R050 GaN FET，能夠使效率在全負載范圍額外提升0.5-3%。

在輸入電壓為796V時，開關管漏源電壓為460V，電壓波形見左圖。在dv/dt為16V/ns時的硬開通以及4V/ns的軟關斷如右圖。

電流從1A-6A和6A-1A切換時的電壓波形顯示環路穩定，負載瞬態切換穩定時間約為5mS。

參考設計測試結果，當輸入電壓為799V，負載為6kW時，輸出電壓為229V，效率為98.4%，負載為4KW時，輸出效率為98.5%，開關頻率為100kHz。