如何用一个Hercules微控制器来驱动GaN功率级

 

今天的博文是一个动手操作项目：你将用一个氮化镓 （GaN） 功率级、一个Hercules™ 微控制器和一个滚轮来调节一盏灯的亮度。我将会谈到其中的硬件和固件。先给你的焊接设备充上电，我们马上开始。

你可以用很多种方法来控制GaN功率级。针对LMG5200 GaN半桥功率级的TI用户指南使用了一个无源组件和分立式逻辑门的组合。在这篇博文中，我将会讨论到如何用一个Hercules微控制器来驱动它。图1显示的是将用来驱动LMG5200的Hercules模块。

图1：具有死区发生器的Hercules PWM模块

GaN与Hercules功率级是天生的一对儿。它们在工业和汽车应用中都能发挥很好的作用。Hercules脉宽调制 （PWM） 模块具有专门的硬件来驱动这些信号。死区发生器 （DB） 子模块非常适合于生成你所需要的死区时间。

设置

图3显示的是将连接在一起的硬件模块。负载是一个常见的灯泡。一个德州仪器 （TI） LMG5200 GaN评估套件控制进入灯泡的电力。一个旧鼠标的滚轮作为输入。你将用这个滚轮来控制GaN功率级输出的上升和下降。

图3：硬件设置

Hercules LaunchPad将把这些组件合并在一起。当你旋转滚轮时，灯光会变亮或变暗。

设计

由于你有很明确的功能块（图4），所以很难得出一个洁净的硬件结构。以下是逻辑部件：具有输入（滚轮）和输出（GaN驱动器）的Hercules控制器，以及功率调节：具有输入 （LaunchPad） 和输出（灯泡）的GaN驱动器。

图4：硬件模块

对于固件来说也是如此。一个状态机管理功能，并且有两个模块：一个监听滚轮的旋转功能驱动器模块，以及一个与LMG5200进行通信的GaN模块。两个模块都依靠低电平Hercules外设驱动器运转（图5）。

图5：固件模块

操作

我们先来看看输出端。第一步是在LaunchPad上生成正确的PWM信号，以控制GaN驱动器。下一步，将GaN评估套件连接至LaunchPad，在连接路径上对PCB进行某些更改。最后，插入输入。将鼠标滚轮变为稳定的正交编码器，并且将这些信号集成到固件中。

正确驱动LMG5200 GaN功率级

LMG5200 GaN半桥功率级对于其输入信号有特别的需要。我已经在上一篇博文中详细介绍了这些信号。关键是创建2个相反的PWM信号。在特定点上还需要一个暂停。当你的信号切换逻辑电平时，你必须在调低一个与调高另外一个之间等待很短的一段时间（被称为死区时间）。

当低电平信号为高电平时，高电平信号应该为低电平，反之亦然。不过，你必须在一个信号的下降边缘和另外一个信号的上升边缘之间插入一个小延迟。两个信号将在几纳秒的时间内均为低电平。

图6：具有死区时间的LMG5200输入信号

在图6中，死区时间是下降和上升边缘之间的阴影区域。让我们将其与图7比较一下，图7中显示的是所捕获的由Hercules微控制器生成的信号。

图7：Hercules PWM和死区时间的捕获图

图7中黄色和蓝色的迹线是来自Hercules ePWM模块的低电平和高电平信号。紫色迹线是经计算得出的信号（黄色和蓝色），代表的是死区时间。

示波器的SUM功能在这里会有很大帮助。你可以将其用来测量死区时间的宽度（两个信号均为低电平时的0V电压突降）。同样重要的是，如果在出现10V峰值的同时将两个信号意外地驱动为高电平（这将损坏你的GaN器件），这个功能将会让你知道这个情况。

设定PWM信号

你可以用可视化硬件配置工具，HALCoGen来配置Hercules微控制器和其模块。启动激活你所需要的外设，并使其参数化，然后让HALCoGen来生成你的项目。你可以获得一个包含所有源代码的可编译项目，你只需要添加两行代码就可以使设计运行起来。

首先，启用ePWM驱动器。这是一个将生成2个信号的外设；你将把生成的信号发送至GaN集成电路 （IC）。

图8：启用PWM

下一步，激活其中一个可用PWM模块，然后创建LMG5200 GaN半桥所需要的信号。

图9：激活PWM模块1

你可以在单个屏幕内配置整个信号，其中也包括死区时间。通过按照图10中所示的内容选中复选框并设定相应的值，你的ePWM模块将为GaN信号的输出做好准备。

图10：配置PWM信号和死区时间

我曾写过一篇博文，解释了其中的每一个设置，以及这个配置为什么能够为LMG5200提供理想的信号。

让HALCoGen为你生成项目源代码，并且添加以下的代码到main（） 函数中：

你可以使用Code Composer Studio™ 软件来构建和执行这个项目，LaunchPad也准备就绪。通过探测ePWM信号，你将获得一个与图7中示波器捕获内容相类似的图像。占空比将为10%，频率为1MHz。

好了，完成了。你已经把LaunchPad直接变成了一个能够控制GaN驱动器的器件。在本系列的下一篇文章中，我将解释如何连接GaN评估套件。

　　审核编辑：彭菁