EVAL-M1-05F310R評(píng)估板：助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的利器

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能優(yōu)良且易于使用的評(píng)估板能夠?yàn)?a target="_blank">工程師們節(jié)省大量的時(shí)間和精力。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下英飛凌（Infineon）的EVAL-M1-05F310R評(píng)估板，它是模塊化應(yīng)用設(shè)計(jì)套件（MADK）的一部分，專為IRSM005 - 301MH設(shè)計(jì)，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供了全面的解決方案。

文件下載：Infineon Technologies EVAL-M1-05F310R iMOTION? MADK評(píng)估板.pdf

評(píng)估板概述

EVAL-M1-05F310R是一款功率評(píng)估板，屬于iMOTION? MADK的一部分。它配備了iMOTION?標(biāo)準(zhǔn)接口M1連接器，以及三個(gè)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的CIPOS? Nano 100 V半橋模塊。該評(píng)估板旨在為使用IRSM005 - 301MH CIPOS? Nano功率模塊進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)的客戶提供支持，幫助他們?cè)谠O(shè)計(jì)初期更好地了解和應(yīng)用相關(guān)技術(shù)。

交付內(nèi)容

評(píng)估板的交付內(nèi)容包括一塊成品板，它具備三相交流連接器、EMI濾波器和軟上電電路、輸入整流器、直流母線電容器以及用于連接電機(jī)的三相輸出。此外，還配備了基于CoolSET?的輔助電源，可提供15V和3.3V的電壓，以及用于電流感測(cè)和過(guò)流保護(hù)的單分流器，還有用于直流母線電壓測(cè)量的分壓器。用戶可以直接使用所需的電源來(lái)操作該板，無(wú)需額外的組件。

主要特性

CIPOS? Nano智能功率模塊IRSM005 - 301MH具有以下主要特性：

• MOSFET漏源電壓為100V。
• 在25°C外殼溫度下，最大直流電流$I_{D}=30 A$。
• 封裝具有低熱阻和最小的寄生電感。
• 獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)器與邏輯輸入同相。
• 柵極驅(qū)動(dòng)器電源為15V。
• 與3.3V邏輯輸入兼容。
• 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部具有欠壓鎖定保護(hù)。
• 暴露的驅(qū)動(dòng)器輸出和HEXFET柵極端子，可通過(guò)電阻進(jìn)行dv/dt設(shè)置。

技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)與功能描述

啟動(dòng)系統(tǒng)

要運(yùn)行電機(jī)系統(tǒng)，需要將iMOTION? MADK功率板（EVAL-M1-05F310R）與匹配的MADK控制板（如EVAL-M1-101T）相結(jié)合。以下是啟動(dòng)系統(tǒng)的詳細(xì)步驟：

1. 獲取控制板和軟件：從英飛凌網(wǎng)站（www.infineon.com/MADK）訂購(gòu)EVAL-M1-101T控制板，并從http://www.infineon.com/imotion-software下載最新的“IMC101T - T038 MCE軟件包”。
2. 連接控制板和PC：通過(guò)USB電纜將PC連接到EVAL-M1-101T控制板，對(duì)控制板進(jìn)行編程和調(diào)試。
3. 連接功率板和控制板：將EVAL-M1-101T的M1 20針接口連接器（J2）連接到功率板（如EVAL-M1-05F310R）。
4. 設(shè)置參數(shù)：使用MCEWizard輸入目標(biāo)電機(jī)的系統(tǒng)和運(yùn)行參數(shù)，以及評(píng)估板的硬件參數(shù)，然后點(diǎn)擊“Calculate”按鈕計(jì)算控制器的數(shù)字參數(shù)，并將驅(qū)動(dòng)參數(shù)集保存到項(xiàng)目目錄中。
5. 連接電機(jī)和電源：將電機(jī)的相輸出連接到電機(jī)，將直流電源連接到功率輸入連接器，然后開啟系統(tǒng)電源。
6. 啟動(dòng)MCEDesigner：打開MCEDesigner工具，選擇“File” > “Open”，打開IMC101T - T038控制器的默認(rèn)配置文件（.irc）。
7. 連接控制板：MCEDesigner應(yīng)自動(dòng)使用默認(rèn)COM端口連接到EVAL-M1-101T控制板。如果連接失敗，可以在“System”窗口中選擇“Preferences” > “Connection”，從下拉菜單中選擇其他可用的COM端口。
8. 編程系統(tǒng)參數(shù)：點(diǎn)擊“Tools” > “Programmer”，選擇“Program Parameters”，瀏覽并選擇步驟4中創(chuàng)建的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)參數(shù).txt文件。
9. 啟動(dòng)和停止電機(jī)：點(diǎn)擊控制欄中的綠色交通燈按鈕啟動(dòng)電機(jī)，點(diǎn)擊紅色交通燈按鈕停止電機(jī)。

功能模塊描述

評(píng)估板的電機(jī)逆變器由IRSM005 - 301MH模塊實(shí)現(xiàn)，輔助電源基于CoolSET?：ICE5GR4780AG。

• IRSM005 - 301MH概述：該模塊的主要特性前面已經(jīng)介紹過(guò)，其絕對(duì)最大額定值如下表所示：	符號(hào)	描述	最小值	最大值	單位
  $V_{ps}$	MOSFET漏源電壓		100	V
  $I_{o}$	每個(gè)MOSFET在$T_{c}= 25°C$時(shí)的最大直流電流		30	A
  $P_dpi6xxg$	每個(gè)MOSFET在$T_{c}=100°C$時(shí)的最大功耗		13.5	W
  $T_{j}$(MOSFET&IC)	工作結(jié)溫		150	°C
  $T_{s}$	存儲(chǔ)溫度范圍	-40	150	°C
  $V_{B}$	高端浮動(dòng)電源電壓	-0.3	$V_{s}+20$	V
  $V_{s}$	高端浮動(dòng)電源偏移電壓	$V_{B}-20$	$V_{B}+0.3$	V
  $V_{cc}$	低端固定電源電壓	-0.3	20	V
  $V_{IN}$	LIN、HIN的低輸入電壓	-0.3	$V_{cc}+0.3V$	V

• ICE5GR4780AG概述：這是一款英飛凌的CoolSET?單功率芯片，具有高性能、高效率和易于使用的特點(diǎn)，適用于30 - 600V直流超寬電壓范圍的工業(yè)輔助電源。其主要特性包括：
  • 集成800V雪崩堅(jiān)固型CoolMOS?。
  • 增強(qiáng)型有源突發(fā)模式，可選擇進(jìn)入和退出待機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)最低待機(jī)功率<100mW。
  • 數(shù)字頻率降低，提高整體系統(tǒng)效率。
  • 級(jí)聯(lián)配置實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。
  • 具有斜率補(bǔ)償?shù)腄CM和CCM操作。
  • 頻率抖動(dòng)和軟柵極驅(qū)動(dòng)，降低EMI。
  • 內(nèi)置數(shù)字軟啟動(dòng)。
  • 集成誤差放大器，支持非隔離反激式的直接反饋。
  • 全面的保護(hù)功能，包括輸入線過(guò)壓保護(hù)、$V{CC}$過(guò)壓、$V{CC}$欠壓、過(guò)載/開環(huán)、過(guò)溫保護(hù)，所有保護(hù)均為自動(dòng)重啟模式。
  • 限制$V_{CC}$短路到地的充電電流。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

逆變器部分

逆變器部分使用CIPOS? Nano構(gòu)建，采用三個(gè)半橋模塊作為三相逆變器橋部分。每個(gè)半橋模塊包含兩個(gè)功率MOSFET和一個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)還提供了分流電阻部分。三個(gè)電容器C4、C5和C6用作自舉電容器，分別提供必要的浮動(dòng)電源電壓VBU、VBV和VBW。

DC - DC電源轉(zhuǎn)換器

評(píng)估板上的輔助電源采用超級(jí)降壓電路，由ICE5GR4780AG芯片直接從直流母線生成15V（VCC）電壓，VCC連接到CIPOS? Nano內(nèi)部的柵極驅(qū)動(dòng)器。線性穩(wěn)壓器TPS56043XF從VCC生成3.3V電壓，用于過(guò)流比較器電路。紅色LED1用于指示板是否通電。VCC和3.3V電壓也通過(guò)20針接口連接器J3提供給控制板上的電路。

DC母線電壓測(cè)量

連接器J3的引腳14可用于訪問(wèn)直流母線電壓，該引腳有三種可能的反饋情況。R48是連接器打開時(shí)連接端口的安全電阻，直流母線感測(cè)的低端電阻為R48//R1（R1是EVAL-M1-101T上的下拉電阻），計(jì)算可得$sum R_{low side }=frac{1 M Omega × 13.3 k Omega}{1 M Omega+13.3 k Omega}=13.13 k Omega$。

電流感測(cè)和放大

評(píng)估板的電流反饋采用單分流感測(cè)方式，通過(guò)R16（5mΩ）進(jìn)行感測(cè)。電流輸出IU +和IU -連接到J3。一個(gè)由R20/R23/C14/C15組成的低通濾波器（LPF）用于去除R16上的EMC噪聲，電流放大器由R18/R19/R20/R22/R23/C13和U1A組成，用于降低噪聲并實(shí)現(xiàn)比例放大。放大器的增益為$G=frac{R 18+R 19+R 20}{R 19+R 20}=15.96$，電流縮放為$V{shunt }=R 16 × G=79.8 mV / A$，靜態(tài)狀態(tài)下$V{o}=frac{R 30 × 3.3 V}{R 26+R 29+R 30}=0.607 V$，響應(yīng)時(shí)間$T{0}=frac{1}{frac{ GBWP{U 11 a}}{A-1}}=1.5 mu s$，R21用于匹配U11A輸出的電阻。

電流反饋到控制板

電流信號(hào)從IU +到IU的衰減為$alpha=frac{R 6}{R 6+R 21+R 27}=0.833$，到IU輸入的總增益為$sum G=alpha × G=13.29$，到IU輸入的總電流縮放為$V_{shunt2 }=R 16 × sum G=66.4 mV / A$，到IU輸入的電流偏移為$Voffset =(3.3 V-0.6 V) × frac{R 21+R 27}{R 6+R 21+R 27}+0.6 V=1.06 V$。由于控制板的ADC范圍為3.3V，因此需要將控制板的內(nèi)部增益設(shè)置為“1”。

OCP、GK和IOCP設(shè)置

評(píng)估板的過(guò)流保護(hù)（OCP）和柵極關(guān)斷（GK）電路如下：

• OCP設(shè)置：施密特觸發(fā)器（U11B）的閾值電壓設(shè)置為$V{TriphTH }=frac{R 35}{R 32+R 35} × 3.3 V=1.98 V$，反射的過(guò)流閾值為$I{TriphTH }=frac{V{TriphTH}-V{o}}{V{shunt 1}}=17.2 A$，響應(yīng)時(shí)間為$T{D}=R 25 × C 16=100 ns$。當(dāng)分流電流超過(guò)17.2A時(shí)，U11B引腳7輸出“0”。
• PWM關(guān)斷和GK輸出：U12A是比較器的緩沖電路。當(dāng)發(fā)生過(guò)流時(shí)，U11B引腳7輸出“0”，C23將快速充電，U12B輸出邏輯“0”信號(hào)，這是所有PWM輸入的關(guān)斷信號(hào)，也是向控制板發(fā)送的柵極關(guān)斷信號(hào)，通知控制板停止PWM輸出。關(guān)斷的總延遲時(shí)間為$sum T{D}=T{O}+T{D}=1.5 mu s+0.1 mu s=1.6 mu s$。當(dāng)過(guò)流消除后，U11B將變?yōu)檫壿嫛?”，C23將通過(guò)R36充電，充電時(shí)間常數(shù)為$T{up }=R 36 × C 23=220 mu s$。對(duì)于每次過(guò)流，U12B將輸出約220μs的“0”信號(hào)用于關(guān)斷PWM和通知分支控制系統(tǒng)。
• MCEWizard中的OCP設(shè)置：EVAL-M1-101T具有內(nèi)部比較器，默認(rèn)閾值為1.8V（對(duì)應(yīng)17A）。要根據(jù)EVAL-M1-05F310R板計(jì)算MCEWizard的過(guò)流保護(hù)閾值，可以使用以下公式計(jì)算電壓閾值：$V{ref } =V{offset }+V{shunt 2} × I{O C P}=1.06 V+frac{66.4 mV / A × I_{O C P}}{1000}$。

NTC熱敏電阻特性和過(guò)熱保護(hù)計(jì)算

評(píng)估板上的NTC（R46）用于測(cè)量U2頂部的溫度，以實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)。該溫度值將發(fā)送到EVAL-M1-101T。NTC的型號(hào)為NXRT 15WF 104FA1B。VTH輸出值與溫度的關(guān)系如圖所示，MCEWizard中的設(shè)置也有相應(yīng)的說(shuō)明。

布局和物料清單

連接器詳情

評(píng)估板的連接器信息如下