使用 Hercules™ LaunchPad™ 开发套件控制 GaN 功率级 – 第 1 部分

我们将使用氮化镓 (GaN) 功率级、Hercules™ 微控制器和滚轮调暗一盏灯。我将介绍硬件和固件。准备好启动我们的焊接设备。

我们可以通过多种方式控制 GaN 功率级。LMG5200 GaN 半桥功率级的TI 用户指南使用无源元件和分立逻辑门的组合。在这篇文章中，我将描述如何使用 Hercules 微控制器来驱动它。图 1 显示了我们将用于驱动 LMG5200 的 Hercules 模块。

图 1：带死区发生器的 Hercules PWM 模块

GaN 和 Hercules 功率级是完美的搭配。两者都在工业和汽车应用中发挥出色。Hercules 脉宽调制 (PWM) 模块具有专门的硬件来驱动这些信号。死区生成器 (DB) 子模块非常适合生成我们需要的死区时间。

设置

图 3 显示了我们将连接在一起的硬件模块。负载是一个经典的灯泡。德州仪器 (TI) LMG5200 GaN 评估套件控制灯的电源。旧鼠标的滚轮用作输入。我们将使用它来上下吸收 GaN 功率级的输出。

图 3：硬件设置

Hercules LaunchPad 将组件粘合在一起。当我们转动滚轮时，它会使灯的亮度变亮或变暗。

设计

想出一个干净的硬件结构并不难，因为我们有清晰的功能块（图 4）。有逻辑部分：带有输入（滚轮）和输出（GaN 驱动器）的 Hercules 控制器，以及功率调节：带有输入（LaunchPad）和输出（灯）的 GaN 驱动器。

图 4：硬件模块

固件也是如此。状态机管理功能，有两个模块：一个监听滚轮的旋转功能和一个与 LMG5200 对话的 GaN 模块。这两个模块都依赖于低级 Hercules 外设驱动程序（图 5）。

图 5：固件模块

活动

让我们从输出端开始。第一步是在 LaunchPad 上生成正确的 PWM 信号来控制 GaN 驱动器。接下来，将 GaN 评估套件连接到 LaunchPad，在此过程中对 PCB 进行一些更改。最后，插入输入。将鼠标滚轮转为稳定的正交编码器，并将信号集成到固件中。

以正确的方式驱动 LMG5200 GaN 功率级

LMG5200 GaN 半桥功率级对其输入信号有特殊要求。我在前一篇文章中深入介绍了这些信号。关键是创建两个反向 PWM 信号。在特定点也需要暂停。当我们的信号切换逻辑电平时，我们将不得不在一个开关的低电平和另一个开关的高电平之间等待一小段时间（称为死区时间）。

当低信号为高时，高信号应为低，反之亦然。但是我们必须在一个信号的下降沿和另一个信号的上升沿之间注入一个小的延迟。两个信号都会低几纳秒。

图 6：具有死区时间的 LMG5200 输入信号

在图 6 中，死区时间是下降沿和上升沿之间的阴影区域。让我们将其与图 7 进行比较，图 7 捕获了 Hercules 微控制器生成的信号。

图 7：Hercules PWM 和死区时间的捕获

图 7 中的黄色和蓝色迹线是来自 Hercules ePWM 模块的低信号和高信号。紫色迹线是计算信号（黄色和蓝色），代表死区时间。

示波器的 SUM 功能在这方面有很大帮助。我们可以使用它来测量死区时间的宽度（两个信号都为低电平的 0V 下降）。同样重要的是，如果我们不小心将两个信号同时驱动为高电平（这种情况会破坏我们的 GaN 器件），它会显示为 10V 峰值。

设置 PWM 信号

我们可以使用可视硬件配置器 HALCoGen配置 Hercules 微控制器及其模块。启用我们需要的外围设备，对其进行参数化，然后让 HALCoGen 生成我们的项目。我们将获得一个具有完整源代码的可编译项目，并且我们只需添加两行代码即可获得可运行的设计。

首先，启用 ePWM 驱动程序。这是将生成两个信号的外围设备，我们将发送到 GaN 集成电路 (IC)。

图 8：启用 PWM

接下来，激活一个可用的 PWM 模块并创建 LMG5200 GaN 半桥所需的信号。

图 9：激活 PWM 模块 1

我们可以在单个屏幕上配置整个信号，包括死区时间。通过将复选框和值设置为图 10 中所示的值，我们的 ePWM 模块将准备好输出 GaN 信号。

图 10：配置 PWM 信号和死区时间

我在 element14 上写了一篇博文，解释了每个设置，以及这种配置如何为我们提供 LMG5200 的完美信号。

让 HALCoGen 为我们生成项目源代码，并将这些行添加到 main() 函数：

我们可以使用 Code Composer Studio™ 软件构建和执行该项目，并且 LaunchPad 已准备就绪。探测 ePWM 信号，我们将获得与图 7 中的示波器捕获相似的图像。占空比为 10%，频率为 1MHz。

就是这样。我们已经将 LaunchPad 变成了可以直接控制 GaN 驱动器的设备。在本系列的下一部分中，我将解释如何连接 GaN 评估套件。