打造更快更安全更智能充电桩，TI 11kW三级三相氮化镓ANPC参考设计解析
前言
近年新能源汽车发展迅猛，与之相关的配套产业，如电池、充电桩等也迅速兴起。但目前从技术方面来看，对充电体验影响尤为关键的的充电时长、充电安全等问题亟需解决，这些都聚焦于大功率直流充电桩。
要打造更快速、更安全、更智能的充电桩，功率转换模块、高性能实时微控制器和支持更高开关频率的功率器件是必要的，此外对特殊的安全和可靠性也提出更高要求。
高性能实时微控制器
说到高性能实时微控制器，德州仪器（TI） C2000™ 微控制器在市场上占据份额较高，在中国市场也是久负盛名，早已广泛用于电力电子控制领域，并在工业和汽车应用中提供高级数字信号处理。
C2000 微控制器具有微控制器和数字信号处理器双重优势，同时集成更高级的外设则可以满足复杂拓扑结构设计。在过去 20 多年间，C2000 微控制器一直处于模数控制革命的前沿，经过不断发展，现在的第三代性能更为出色：拥有更强的运算能力、更丰富的外设资源。
第三代半导体技术积累
针对快速充电桩高效率、高功率密度设计目标，需要使用到以 GaN 氮化镓为代表的第三代半导体器件，TI 在这个领域也已经积累了丰富的技术经验。
TI 对 GaN 的布局可追溯到 2010 年，而且通过不断尝试新架构，使 GaN 适应更广的电压范围，比如 800V、1000V（可参考），这也为将来在充电桩上看到GaN的身影带来了更大的可能性，如 TI 基于氮化镓的 11kW 三级三相 ANPC 参考设计。
为了保证高可靠性，目前 TI 已经针对 GaN FET 进行了 4000 多万小时的器件可靠性测试和超过 5 GWh 的功率转换应用测试。同时，为了进一步提高可靠性和集成度，TI 推出了 GaN 与驱动集成的器件。更为亮眼的是，TI 在 GaN 方面拥有自己的工艺和工厂，因此可以确保产品品质和供应的稳定性保障。
凭借在充电桩领域的领先技术与布局，德州仪器可以助力客户打造性能优异且高效高可靠性的大功率直流充电桩产品，加快客户产品投放市场的节奏，从而获得先发优势。
本地合作，TI 携手特来电打造更加高效的充电网
电动汽车充电设施是中国构建新型电力和交通基础设施的重要组成部分，TI 的模拟和嵌入式处理产品以及全方位的技术支持，正在助力客户设计先进的充电设备，实现对电动汽车进行更快、更安全且更智能地充电。未来将通过对制造工艺效率的升级和迭代，以新技术助推降本增效，以新产品为充电桩及其他高压产业赋能。
针对市场需求和用户痛点，TI 与合作伙伴特来电携手，在电动汽车的直流/交流充电桩，功率分配单元等领域进行密切合作，助力客户实现高效率，大功率的充电解决方案，提供更高功率密度和更高集成度。
在电动汽车充电领域，特来电构建了充电网-微电网-储能网-数据网“四网融合”的新能源和新交通双向交互的全新产业。TI 基于最新一代 C2000 微控制器进行的方案级创新，和基于 GaN FET 以及专门针对 SiC FET 的智能驱动解决方案，为特来电的业务拓展提供强有力支持。
基于氮化镓的 11kW 三级三相 ANPC 参考设计
模块概述
随着用户对充电速度和便利性需求的不断提高，TI 推出了一款基于氮化镓的 11kW 三级三相 ANPC 参考设计 TIDA-010210。这款参考设计内置氮化镓开关管，开关频率高达 100kHz，支持交流三相 400V 供电，支持 800V 直流系统应用，输出功率达 11kW。此外支持双向运行，可选择逆变器模式或 PFC 模式运行。
这款参考设计采用子卡式的模块化结构设计，便于比较 GaN 和 SiC 器件性能。底部主板包括滤波器，传感电子器件，偏置电源，开关继电器和冷却风扇，并由六个氮化镓子卡和三个硅 MOS 子卡和一块控制板组成。子卡的功率器件配有散热片，并配有散热风扇为功率器件散热。底部主板使用四层 PCB 分离信号和电源布线。
TI这款参考设计使用新型的开关逻辑，将 18 个开关的 PWM 需求减少为12 个，参考设计采用 TMS320F280049 C2000 实时微控制器，内置 16 位，3.5MSPS 的智能 ADC+Sigma Delta 滤波器模块，内置高性能浮点 DSP 内核，支持 150ps 高分辨率 PWM 。片上可配置逻辑块（CLB）实现逐周期高压保护，无需外部 FPGA，并使用隔离式分流放大器进行输出电流检测。
参考设计中采用集成驱动和保护功能的 LMG3410R050 600V GaN FET，高开关频率可降低损耗，提高效率。多电平方式支持使用 600V 耐压的氮化镓器件，并支持更高开关频率。内置 UCC21541 双通道隔离式栅极驱动器用于驱动硅半桥，内置 AMC3302 隔离放大器用于进行分流式电流感测。
特性
三相逆变器和 PFC 的功率级
800V 系统中额定电压为 600V 的开关（由于三个级别）
使用 C2000 的 CLB 提供全新的板载保护功能
Iso 四通道驱动器支持高频运行 (100KHz)
基于分流器的电流检测功能（在温度范围内提供高精度和高线性度）
应用领域
TI 这款基于氮化镓的 11kW 双向三相 ANPC 参考设计 TIDA-010210 可用于直流快速充电站，电动汽车充电站电源模块，功率变换系统，单相组串式逆变器和三相组串式逆变器。满足新能源汽车充电，光伏发电以及储能领域应用。
应用器件
TMS320F280049C
首先是整个参考设计的核心元件 TMS320F280049C ，这是一款 C2000 系列的实时微控制器，芯片主频为 100MHz，内部集成 FPU 和 CLA，内置256KB 闪存和 100KB RAM。可用于工业电机驱动，电机控制，光伏逆变器，数字电源，电动车辆与运输，自动控制，感应和信号调理用途。用于逆变升压/整流以及全桥LLC电路控制。
这颗实时微控制器进行输入输出电压和电流采集，通过内部的控制逻辑，将控制信号输出到驱动器，推动开关管实现电压转换。
ISO7741
所有使用数字芯片控制的电源方案，都离不开使用隔离驱动器进行控制单元与功率器件的隔离，在这款参考设计中使用了 ISO7741 高速数字隔离器，这款数字隔离器具备 100Mbps 的数据速率。支持 -55到125℃ 工作温度，稳健可靠的隔离等级和浪涌能力可满足多种使用条件。
参考设计中使用 ISO7741 进行氮化镓功率级的驱动，多个隔离通道不仅支持驱动信号传输，还支持过热，过电流故障信号的反向传输。通过多个隔离通道，将以上异常信号传输给 MCU，实现实时的保护控制。
LMG3422R030
氮化镓功率器件采用 LMG3422R030 ，这是一款内部集成驱动器，保护功能和温度报告功能的氮化镓器件，面向硬开关拓扑应用。器件支持 2.2MHz 开关频率，支持 30V/ns 到 150V/ns 的压摆率。器件内部集成驱动器，并结合 TI 的低电感封装，可提供干净的开关和超小的振铃。
LMG3422R030 内部集成电流检测，支持器件级的过流保护功能，支持逐周期过流保护和锁定的短路保护。
UCC21541
用于硅 MOS 驱动的驱动器为 UCC21541 ，也是一款隔离驱动器，内部具备两个独立的驱动通道，用于驱动MOS管，取代NPC拓扑中的二极管，使用 MOS 管作为有源开关提高效率和功率密度。
UCC21541 具备加强的绝缘能力，适用于隔离功率转换应用，适用于服务器，电信工业基础设施应用，可用于电机驱动和光伏逆变器，以及工业运输等场合。
SN6501
介绍完驱动器和氮化镓器件，接下来介绍 TI 的隔离电源驱动芯片。在实际应用中，隔离电源驱动芯片通常与隔离驱动器共同使用，为隔离驱动器供电，从而实现控制电路与功率电路的隔离。
在这款参考设计中，采用 TI 推出的 SN6501 隔离电源变压器驱动器来为隔离驱动器供电。SN6501 支持 5V 或者 3.3V 单电源供电，采用 SOT23 封装，应用简单，使用灵活。
SN6501 内部集成振荡器，栅极驱动电路和双 NMOS 管，外围元件仅需一颗电容。可通过变压器绕组和二极管进行不同电压和不同极性的隔离电源供电，满足小尺寸小功率隔离电源应用。
TPS563200
通常控制电源都采用开关降压搭配线性稳压的方式，实现高效降压，并输出不同器件所需要的 3.3 和 5V 供电。其中同步降压芯片采用 TPS563200，支持 17V 输入电压，最大输出电流为 3A，外围元件精简，且支持使用陶瓷电容和聚合物电容。
TPS563200 具备软启动功能，具备逐周期过流保护，具备自恢复的过压保护，欠压保护和过热保护功能。
LP5907
搭配使用的稳压芯片为 LP5907，是一颗输出电流为 250mA 的超低噪声线性稳压芯片，用于提供 3.3V 输出，为模拟传感和逻辑电路供电。
LP5907 是一颗低噪声，高 PSRR，低静态电流的 LDO，具有出色的噪声性能和负载响应。输入输出支持使用陶瓷电容，器件具备使能控制，为固定电压输出，提供多种输出电压选择和不同封装。
AMC3302
电流输出检测对于双向逆变来说十分重要，高精度的输出检测可以进行精确的过流保护，确保系统安全。TI发挥隔离优势，推出了一款内置隔离供电转换器的 AMC3302 增强型隔离放大器，通过使用取样电阻，进行完全隔离的电流采样。
AMC3302 是霍尔效应传感器的高精度替代品，具备出色的直流精度和低温漂。器件内部集成隔离电源和隔离放大器，小尺寸封装。
OPA4376
对于双向逆变来说，运放也是不可或缺的，OPA4376 是一颗低噪声，低静态电流的四路精密运算放大器，用于将AMC3302输出的差分电流信号转换为单端，供 TMS320F280049C 的 ADC 进行测量。
OPA4376 支持轨对轨输入和输出，提供多种封装，可用于 ADC 缓冲，音频设备，医疗仪器，手持测试设备等应用。
TLV9004
双向逆变的直流母线，逆变输出电压以及电网的电压均通过运放进行采集，采用 TLV9004 四通道运算放大器配合高阻值电阻进行电压信号采集，供 TMS320F280049C 的 ADC 进行测量。
TLV9004 支持轨对轨输入和输出，具备低噪声和低静态电流，可用于传感器信号调节，有源滤波器，低侧电流检测，探测器，可穿戴设备和家用电器。
LMT87
最后是用于各个板卡的温度传感器，通过使用多个温度传感器，可以精确的检测不同区域的温度，及时进行过热保护，避免过热造成损坏。这款双向逆变参考设计采用 LMT87 温度传感器，具有快速热时间响应常量，且具有低静态电流和高精确度。
LMT87 具有 SOT，TO92S 和 TO92 三种封装，能够满足不同的应用场合，满足汽车，仪表，动力传动系统，烟雾热量探测器，无人机和家用电器使用。
相关测试
TI 基于氮化镓的 11kW 三级三相 ANPC 参考设计的一些实际测试结果如下：
开路状态下测试输出电压波形，新的PWM方案输出为干净的正弦波形。激活基于CLB的保护功能，保证低失真输出。
参考设计中使用SCT3060AL碳化硅器件的效率超过98%，使用TI LMG3410R050 GaN FET，能够使效率在全负载范围额外提升0.5-3%。
在输入电压为796V时，开关管漏源电压为460V，电压波形见左图。在dv/dt为16V/ns时的硬开通以及4V/ns的软关断如右图。
电流从1A-6A和6A-1A切换时的电压波形显示环路稳定，负载瞬态切换稳定时间约为5mS。
参考设计测试结果，当输入电压为799V，负载为6kW时，输出电压为229V，效率为98.4%，负载为4KW时，输出效率为98.5%，开关频率为100kHz。
相关阅读：
2、德州仪器（TI） USB PD应用方案直播精彩回顾+有奖调查问卷
「历年拆解」
2022年、2021年、2020年、2019年、2018年、2017年、2016年、2015年
「电源芯片」
南芯、英集芯、智融、茂睿芯、必易微、美芯晟、杰华特、华源、硅动力、富满云矽、芯海、天德钰、贝兰德、力生美、创芯微、稳先微、宝砾微、东科、易冲、拓尔微、恒成微、沁恒
「被动器件」
「氮化镓」
「快充工厂」
商务合作联系：info@chongdiantou.com