REFFRIDGED111TRC2SL：冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)板的深度解析

在電子工程師的日常工作中，尋找合適的參考設(shè)計(jì)板對于產(chǎn)品開發(fā)至關(guān)重要。今天我們就來詳細(xì)解析一下 Infineon 的 REFFRIDGED111TRC2SL 冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)板，看看它能為我們帶來哪些便利和優(yōu)勢。

文件下載：Infineon Technologies REF_FRIDGE_D111T_RC2_SL參考板.pdf

一、概述

REFFRIDGED111TRC2SL 是 iMOTION? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)套件的一部分，專為冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該套件結(jié)合了英飛凌的一系列產(chǎn)品，如新的 RC - D2 IGBT 和電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器 iMOTION? IMD111T - F040，是一個(gè)現(xiàn)成的解決方案，能輕松轉(zhuǎn)化為冰箱壓縮機(jī)的量產(chǎn)板，加速開發(fā)階段并實(shí)現(xiàn)快速上市。

不過需要注意的是，盡管在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了環(huán)境條件，但該設(shè)計(jì)僅進(jìn)行了本文件中描述的測試，在安全要求、整個(gè)工作溫度范圍或使用壽命內(nèi)的制造和操作方面并未經(jīng)過完全認(rèn)證。而且這些評估板僅進(jìn)行了典型負(fù)載條件下的功能測試，與常規(guī)產(chǎn)品在退貨材料分析（RMA）、工藝變更通知（PCN）和產(chǎn)品停產(chǎn)（PD）方面的流程不同，僅適用于實(shí)驗(yàn)室條件下的專業(yè)人員使用。

二、交付內(nèi)容

交付內(nèi)容僅包含如圖 2 所示的板子。而用于調(diào)整板載固件的 iMOTION? Link 并未包含在交付內(nèi)容中，但它是必需的，可以根據(jù)第 5.3 節(jié)的詳細(xì)信息單獨(dú)訂購。

三、主要特性

3.1 核心器件優(yōu)勢

• iMOTION? Driver IMD111T - 6F040：這是一款現(xiàn)成的運(yùn)動(dòng)控制器，帶有腳本引擎和 6 通道絕緣體上硅（SOI）驅(qū)動(dòng)器。它具有 Motion Control Engine（MCE 2.0），支持單或腿分流電流測量，采用無傳感器/基于霍爾的 FOC 電機(jī)控制算法，還可選擇對升壓和圖騰柱 PFC 進(jìn)行控制。同時(shí)具備死區(qū)時(shí)間插入和直通預(yù)防、過流/過壓/欠壓鎖定等保護(hù)功能，擁有 600 V 阻斷電壓的高壓三相柵極驅(qū)動(dòng)器，柵極驅(qū)動(dòng)器的供電電壓為 15 V，采用 LQFP - 40 封裝。
• RCD2 - 600 V IGBT：它是 RC - D/DF IGBT 的繼任者，具有最低的 EMI 和損耗。該技術(shù)的二極管是單片集成的，適合消費(fèi)類驅(qū)動(dòng)器。通過優(yōu)化二極管的電流額定值，使其在價(jià)格和性能方面更具競爭力。并且它是首個(gè)引入 SOT - 223 封裝的 IGBT 系列，這種封裝尺寸更小，進(jìn)一步降低了價(jià)格，與 DPAK 封裝引腳兼容且可替換，占用相同的占地面積。與 RC - DF 相比，它具有價(jià)格合理、性能足夠、di/dt 可控以減少電磁噪聲、改善濕度魯棒性（通過 HV - H3TRB 測試）以及在 DPAK 中有 4 A 至 15 A 電流等級的廣泛產(chǎn)品組合等優(yōu)勢。

3.2 系統(tǒng)整體優(yōu)勢

該系統(tǒng)解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)高度集成、靈活的設(shè)計(jì)以及最低的 EMI，為冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)提供了可靠的保障。

四、系統(tǒng)與功能描述

4.1 調(diào)試過程

4.1.1 硬件連接

硬件連接是系統(tǒng)調(diào)試的第一步。需要使用 iMOTION? Link 電纜將 PC/調(diào)試器端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（目標(biāo) iMOTION? 設(shè)備，熱端）隔離開來，實(shí)現(xiàn) 1 kV DC 電氣隔離。具體操作是將 iMOTION? Link 的 8 針電纜以默認(rèn)引腳順序連接到 X7，然后用 USB 線連接 PC 和 iMOTION? Link，接著連接交流電源（X1）和電機(jī)（X2）。

4.1.2 軟件/固件準(zhǔn)備

軟件和固件準(zhǔn)備工作也至關(guān)重要。需要使用英飛凌網(wǎng)站（http://www.infineon.com/imotion - software）上下載的 iMOTION? 軟件工具 MCEDesigner 和 MCEWizard 來設(shè)置系統(tǒng)、控制和微調(diào)系統(tǒng)性能。從網(wǎng)站上下載 MCE 固件，并根據(jù)需求選擇合適的版本。使用 MCEWizard 輸入目標(biāo)電機(jī)的系統(tǒng)和運(yùn)行參數(shù)以及參考板的硬件參數(shù)，生成控制器的數(shù)字參數(shù)集。設(shè)置完成后，在“驗(yàn)證與保存頁面”點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，若無誤則保存驅(qū)動(dòng)參數(shù)集。對于首次運(yùn)行板子的用戶，建議先不使用腳本生成功能，待電機(jī)性能調(diào)試完成后再添加。

4.1.3 程序固件/參數(shù)/腳本

REF_Fridge_D111T_RC2_SL 參考設(shè)計(jì)套件在發(fā)貨前已進(jìn)行過功能測試，帶有預(yù)編程的固件和默認(rèn)參數(shù)。但由于電機(jī)可能與測試時(shí)不同，用戶需要對參數(shù)進(jìn)行編程。編程過程包括對 MCE 固件、系統(tǒng)和電機(jī)的參數(shù)集進(jìn)行編程，以及可選的客戶腳本文件編程。也可以使用 MCEWizard 生成的包含上述三項(xiàng)內(nèi)容的組合文件，該文件通常用于生產(chǎn)，只需編程一次。

4.1.4 開環(huán)診斷

開環(huán)診斷是判斷電機(jī)連接、功率級工作、電流傳感相關(guān)參數(shù)配置以及 PCB 布局和直流母線去耦是否正確的重要步驟。雙擊“VF Diagnostic”功能，用示波器監(jiān)測電機(jī)電流，若不是正弦波，可更改寄存器 TargetSpeed 和 Vd_Ext，直到示波器顯示穩(wěn)定的正弦電流，幅度為電機(jī)額定電流的 30% - 50%。再雙擊“System page > Monitor Definitions”中的“Iu & Iv_Slow”，若電機(jī)電流反饋不干凈、不是正弦波，則需在 MCEWizard 中調(diào)整“Gating Propagation Delay & Phase Shift Window Size”。完成“VF Diagnostic”后，點(diǎn)擊 STOP 按鈕或運(yùn)行“stop motor”功能停止電機(jī)。

4.1.5 閉環(huán)運(yùn)行

若開環(huán)診斷正常，即可嘗試閉環(huán)運(yùn)行。首先點(diǎn)擊控制欄中的綠色交通燈按鈕或雙擊“User Application Function Definitions”組中“motor1”窗口的“Start Motor”子功能啟動(dòng)電機(jī)。檢查電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，若方向錯(cuò)誤，可調(diào)整電機(jī)繞組的連接順序或在 MCEDesigner 中設(shè)置負(fù)的 TargetSpeed。將 TargetSpeed 設(shè)置為最大速度的 50% 左右，啟動(dòng)“Iu & Flx_M”跟蹤。若 FlxM 不穩(wěn)定，需檢查電機(jī)參數(shù)、速度環(huán) PI 增益、磁通估計(jì)器時(shí)間常數(shù)和 PLL PI 帶寬等參數(shù)；若噪聲大，需檢查電流反饋和 $V{dc}$ 相關(guān)的硬件和參數(shù)；若 FlxM 與 2048 相差較大，需在 MCEWizard 中調(diào)整“Motor Back EMF Constant ( $K{e}$ )”。若只需編程新的參數(shù)文件，可參考第 2.1.3 節(jié)的說明，此時(shí)無需再次編程固件，可選擇“Program Parameters”選項(xiàng)。

4.2 功能模塊描述

4.2.1 逆變器級

逆變器部分采用 DPAK 封裝的最新一代 RC - D2 IGBT。600 V RC - D2 是 RC - D/DF IGBT 的繼任者，與舊版本相比，它具有更好的價(jià)格優(yōu)勢、更低的功率損耗，對 di/dt 的可控性更強(qiáng)，能進(jìn)一步降低 EMI，并且在高壓和高濕度環(huán)境下也具有很強(qiáng)的魯棒性。

4.2.2 EMI 濾波器

EMI 濾波器由兩個(gè)分別為 470 nF 和 330 nF 的 X 電容、一個(gè) 4.7 nF 的 Y 電容和一個(gè)共模電感組成。共模電感的參數(shù)可在登錄 myInfineon 賬戶后從板載網(wǎng)頁下載。該板的傳導(dǎo)電磁干擾情況在第 4.2 節(jié)中有介紹，需要注意的是，此板未進(jìn)行過浪涌測試，板上的 X 電容（C10 和 C15）為 X2 級，根據(jù) IEC60384 - 14，其浪涌測試能力為 2.5 kV。若需要更高的浪涌等級，需將 X 電容替換為 X1 級組件，或在板的輸入側(cè)添加額外的浪涌保護(hù)裝置。

4.2.3 DC 總線傳感和 MCEWizard 配置

DC 總線傳感電阻分壓器階段的默認(rèn) DC 總線感測電壓范圍為 0 V 至 5 V，反映輸入電壓范圍為 0 V 至 505 V。需要在 MCEWizard 中配置硬件參數(shù)，$V{dc}$ 傳感階段具有低通濾波器時(shí)間常數(shù)，可通過調(diào)整電容 C17 的值來提高 $V{dc}$ 噪聲抑制比。

4.2.4 電流傳感和過流保護(hù)

• 電流傳感：該板的電流傳感僅使用 RC 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作偏置和低通濾波，以降低成本，無需額外的運(yùn)算放大器。通過應(yīng)用基爾霍夫電壓定律和相關(guān)假設(shè)可推導(dǎo)出 $V_{ADC}$ 的計(jì)算公式。需要注意的是，R8 和 R20 也決定了電流傳感的 ADC 操作偏置；由于外部 RC 電路的增益小于 1，需要內(nèi)部信號放大來提高低分流電阻值下采集的電流信號；由于沒有外部運(yùn)算放大器，沒有共模噪聲抑制能力，因此 PCB 的 GND 網(wǎng)絡(luò)需要精心設(shè)計(jì)。
• 過流保護(hù)：IMD111T - 6F040 可通過內(nèi)部比較器檢測過流情況。內(nèi)部比較器的參考電平由內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）設(shè)置，可在 MCEWizard 中通過“Device overcurrent trigger level setting for comparator”和“Motor1 current input to ADC offset voltage”進(jìn)行設(shè)置。DAC 輸出引腳 REFU 需連接電容以提高噪聲抑制能力。

  4.2.5 NTC 傳感和熱保護(hù)

  IMD111T - 6F040 的引腳 35 連接到專門用于溫度傳感的 ADC 端口。板上需通過特定電路連接負(fù)溫度系數(shù)電阻（NTC），NTC 安裝在電機(jī)相‘V’的低側(cè) IGBT 底部。根據(jù) NTC 電阻的參數(shù)和熱阻特性，可得到不同溫度下的電壓值。IMD111T - 6F040 內(nèi)部的固件集成了過溫保護(hù)裝置，用戶只需在 MCEWizard 中設(shè)置適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電平即可。

  4.2.6 頻率信號接口

  由于當(dāng)前冰箱應(yīng)用主要使用頻率信號來控制壓縮機(jī)速度，該板設(shè)計(jì)了頻率信號接口。輸入信號與板上的控制和功率部分隔離，典型的冰箱應(yīng)用輸入控制信號為方波，其頻率與電機(jī)速度的關(guān)系在表 6 中有詳細(xì)說明。

五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 原理圖

主要功能模塊在第 2.2 節(jié)中已有介紹，對詳細(xì)信息感興趣的用戶可在登錄 myInfineon 賬戶后從板載網(wǎng)頁下載設(shè)計(jì)文件。

5.2 布局

該板為單層設(shè)計(jì)，尺寸為 115 mm × 105 mm，采用 1 oz.（35 μm）銅厚制造。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高熱性能，IGBT 的集電極端子直接連接到 IGBT 引線框架，最大化與 IGBT 連接器引腳相連的銅面積可有效降低 IGBT 結(jié)溫，使板子能輸出更多功率。同時(shí)，由于電流采樣是非差分的且無需額外的運(yùn)算放大器，因此需要精心設(shè)計(jì)接地面積，確保數(shù)字地與分流接地之間具有低阻抗連接，以保證正確采樣電流。

5.3 物料清單

完整的物料清單可在英飛凌主頁的下載部分獲取，需要登錄 myInfineon 賬戶。文中列出了參考板最重要/關(guān)鍵部分的 BOM 表，方便大家了解主要器件信息。

5.4 連接器細(xì)節(jié)

文檔詳細(xì)介紹了各個(gè)連接器的引腳功能，包括 AC 線連接器（X1）、電機(jī)側(cè)連接器（X2）、iMOTION? Link 連接器（X7）、接地連接器（X11）和頻率輸入信號連接器（X13）等，為實(shí)際應(yīng)用中的連接提供了清晰的指導(dǎo)。

六、系統(tǒng)性能

6.1 熱特性

基于單層 FR4 PCB 和 1 oz. 銅的測試表明，在環(huán)境溫度為 25°C、交流電壓為 220 V 的條件下，采用 3 相脈寬調(diào)制策略，載波頻率為 5 kHz，隨著輸入功率的增加，直到 IGBT 外殼溫度達(dá)到 100°C。文中給出了輸入功率和電流的特性表，為評估系統(tǒng)在不同工況下的熱性能提供了數(shù)據(jù)支持。

6.2 電磁干擾（EMI）傳導(dǎo)

該板的傳導(dǎo) EMI 測試遵循 EN 55032 - 信息技術(shù)設(shè)備（ITE）B 類設(shè)備電源端口的傳導(dǎo)干擾標(biāo)準(zhǔn)。測試使用額定功率為 180 W 的風(fēng)扇作為負(fù)載電機(jī)，分別在交流 L 線和 N 線的 100 W（輕載）和 180 W（重載）四種不同組合下進(jìn)行。測試結(jié)果表明，所有最終測量值與 EN 55032 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值相比，都有超過 5 dB 的余量，說明該板在電磁兼容性方面表現(xiàn)良好。

6.3 電快速瞬變（EFT）測試

在電壓峰值為 4 kV、突發(fā)頻率為 5 kHz 和 100 kHz、耦合路徑包括 L、N、PE、L + N、L + PE、N + PE、L + N + PE，每個(gè)持續(xù)時(shí)間為 120 s 的測試條件下，該板在測試期間能正常驅(qū)動(dòng)電機(jī)，未出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰、復(fù)位或損壞的情況，顯示出良好的抗干擾能力。

6.4 IGBT dV/dt 測試

通過連接示波器探頭測量 IGBT 集電極 - 發(fā)射極電壓（$VCE$）在導(dǎo)通和關(guān)斷切換時(shí)的波形，計(jì)算得到當(dāng)?shù)蛡?cè) IGBT 導(dǎo)通時(shí)，$VCE$ 的 dV/dt 為 5.24 V/ns；當(dāng)?shù)蛡?cè) IGBT 關(guān)斷時(shí)，dV/dt 為 2.8 V/ns。用戶可根據(jù)需要進(jìn)一步調(diào)整 $R_{g}$ 值來控制 IGBT 的 dV/dt。

總的來說，REFFRIDGED111TRC2SL 參考設(shè)計(jì)板在冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中具有很多優(yōu)勢，但在使用過程中也需要嚴(yán)格遵循相關(guān)的安全注意事項(xiàng)和操作流程。希望這篇博文能為各位電子工程師在涉及冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用類似參考設(shè)計(jì)板時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎一起交流討論。