EPC9146電機(jī)驅(qū)動(dòng)板：快速入門與應(yīng)用指南

在電子工程師的日常工作中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是一個(gè)重要的領(lǐng)域。今天，我們將深入探討EPC9146電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，這是一款功能強(qiáng)大且應(yīng)用廣泛的3相無刷直流（BLDC）電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器板。

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1. 產(chǎn)品概述

EPC9146演示板是一款3相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器板，包含三個(gè)獨(dú)立控制的半橋電路，采用了EPC2152單片ePower?級(jí)集成柵極驅(qū)動(dòng)器，最大器件電壓為80V，最大輸出電流為15A（峰值）或10.5A（均方根值）。該板還可配置用于多相直流 - 直流轉(zhuǎn)換，EPC2152支持高達(dá)3MHz的PWM開關(guān)頻率。板上包含了支持完整電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器所需的所有關(guān)鍵功能電路，如集成柵極驅(qū)動(dòng)器的單片功率級(jí)、用于內(nèi)部電源的穩(wěn)壓輔助電源軌、電壓和溫度感應(yīng)、精確的電流感應(yīng)以及保護(hù)功能。

2. 主要特性

2.1 電路與電壓特性

• 寬輸入電壓范圍：三個(gè)獨(dú)立的GaN IC半橋電路，輸入電壓范圍為12V至60V，尺寸為81mm×75mm（包括連接器）。
• 低失真開關(guān)：低失真開關(guān)特性可降低電機(jī)音頻發(fā)射并減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
• dv/dt優(yōu)化：針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化了dv/dt，小于10V/ns，同時(shí)可根據(jù)直流 - 直流應(yīng)用需求增加dv/dt。

2.2 感應(yīng)與保護(hù)特性

• 高精度電流感應(yīng)：所有相電流感應(yīng)具有高精度和高帶寬（三個(gè)串聯(lián)電流傳感器）。
• 全面電壓感應(yīng)：所有相電壓感應(yīng)以及直流電源的電壓和電流感應(yīng)。
• 內(nèi)部電源：從主電源獲取內(nèi)部電源，為各種電路和外部控制器供電。
• 保護(hù)功能：具備過溫、過流和輸入電源欠壓鎖定等保護(hù)功能。

2.3 接口與濾波特性

• 編碼器接口：提供軸編碼器/霍爾傳感器接口連接器，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，有兩種電壓電平選擇。
• L - C濾波：支持諧波和EMI濾波（電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用可選）。
• 可配置性：該板還可配置為同步降壓直流 - 直流轉(zhuǎn)換器。

3. 推薦工作條件

4. 關(guān)鍵部件解析

4.1 功率級(jí)

EPC9146采用三個(gè)獨(dú)立可控的EPC2152單片ePower?級(jí)半橋電路，集成了柵極驅(qū)動(dòng)器，可獨(dú)立控制。如需了解EPC2152的更多信息，請(qǐng)參考EPC官網(wǎng)（www.epc - co.com）上的 datasheet。

4.2 板載電源

板上包括邏輯和柵極驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電源，由逆變器板的主輸入電源供電。3.3V控制器電源電壓也提供給控制器連接器（J60），可通過移除跳線（JP61）斷開。

4.3 電流和電壓感應(yīng)

• 電流感應(yīng)：逆變器配備了所有相和直流輸入的電壓和電流感應(yīng)。每個(gè)輸出相使用1.5mΩ的分流電阻（SHNT_Fx）進(jìn)行在線測(cè)量，并通過INA240A2雙向電流感應(yīng)放大器進(jìn)行放大，總增益為75mV/A。電流感應(yīng)放大器的帶寬為400kHz，適用于100kHz開關(guān)頻率下的精確電機(jī)控制操作。輸入直流電流從電源側(cè)測(cè)量，規(guī)格與相電流測(cè)量相同。分流放大器為雙向，確保覆蓋全四象限操作。
• 電壓感應(yīng)：主輸入直流電源電壓和每個(gè)相電壓使用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)（R1_Fx，R2_Fx）進(jìn)行測(cè)量，總增益為40.5mV/V。

4.4 相位濾波器

每個(gè)相都提供了L - C - R濾波器（L1_Fx，CF1_Fx_CF2_Fx，RF1_Fx，RF2_Fx）的配置。默認(rèn)配置下，電容器和電阻器未安裝，電感器通過低電阻分流器短路。用戶可以根據(jù)需要配置自己的濾波器網(wǎng)絡(luò)，該濾波器可配置為諧波濾波器或EMI濾波器，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。對(duì)于直流 - 直流應(yīng)用，濾波器電感器可設(shè)計(jì)為降壓轉(zhuǎn)換器。此外，還在線路中安裝了鐵氧體磁珠（FB1_Fx，F(xiàn)B2_Fx）以進(jìn)一步降低EMI發(fā)射。

4.5 溫度傳感器

EPC9146板配備了溫度傳感器（U40 - AD590），位于散熱器下方中央位置，通過以下公式報(bào)告與測(cè)量溫度成比例的模擬電壓讀數(shù)： [T=left(frac{V cdot 1000}{7.87}right)-273.16left[^{circ} Cright]] 為了實(shí)現(xiàn)散熱器的最佳溫度報(bào)告，可在傳感器和散熱器之間添加熱界面材料（TIM）。

4.6 連接和控制器匹配選項(xiàng)

4.7 LED指示燈

EPC9146有多個(gè)LED指示燈，用于指示各種電源電壓的狀態(tài)：

• 12V LED（橙色）：指示12V電源正常工作。
• 5V LED（黃色）：指示5V電源正常工作。
• 3.3V LED（綠色）：指示3.3V電源正常工作。

4.8 測(cè)試點(diǎn)

板上提供了多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，方便測(cè)量各種節(jié)點(diǎn)的電壓：

• TP1：12V電源觸摸點(diǎn)。
• TP2：5V電源觸摸點(diǎn)。
• TP3：3V3電源觸摸點(diǎn)。
• TP4：過流檢測(cè)觸摸點(diǎn)。
• TP5 - TP7：分別為相1、相2、相3電壓的SMD連接點(diǎn)。
• TP9 - TP11：分別為軸編碼器A或霍爾A信號(hào)、軸編碼器B或霍爾B信號(hào)、軸編碼器索引或霍爾C信號(hào)的觸摸點(diǎn)。

4.9 過流保護(hù)

EPC9146包含過流檢測(cè)電路，當(dāng)任何一相電流測(cè)量值超過21.3A時(shí)觸發(fā)。過流觸發(fā)后，低電平有效的OC信號(hào)將在短時(shí)間內(nèi)保持低電平，具體時(shí)間由R5 + R8和C17的RC時(shí)間常數(shù)決定。如果安裝了跳線J62，所有PWM信號(hào)將與柵極驅(qū)動(dòng)器斷開。通過安裝R803（默認(rèn)未安裝），OC檢測(cè)信號(hào)可以傳遞給控制器作為OC_FLT。需要注意的是，控制器不應(yīng)加載OC信號(hào)，應(yīng)使用高輸入阻抗電路讀取狀態(tài)，否則會(huì)影響復(fù)位時(shí)間或使逆變器處于永久過流狀態(tài)。

4.10 跳線設(shè)置

4.11 軸編碼器/霍爾效應(yīng)傳感器

連接器（J80）用于將軸編碼器連接到EPC9146電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器，該編碼器與光學(xué)正交編碼器或霍爾效應(yīng)傳感器兼容，并為編碼器提供電源電壓。可通過安裝相應(yīng)的電阻選擇可用的電壓：使用R80選擇12V，使用R81（默認(rèn)）選擇5V，使用R82選擇3.3V。濾波后的信號(hào)將提供給控制器連接器（J60）。

4.12 兼容控制器

5. 應(yīng)用配置

5.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器

EPC9146的主要應(yīng)用場(chǎng)景是3相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器，可用于無傳感器或軸編碼器傳感器配置。用戶可以根據(jù)表中提供的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器選項(xiàng)進(jìn)行選擇，這些選項(xiàng)利用現(xiàn)有資源，簡化和加速了開發(fā)和評(píng)估過程。在默認(rèn)配置下，EPC9146與EPC9147A配對(duì)，預(yù)先編程為使用無傳感器磁場(chǎng)定向控制和空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM），為Teknic M - 3411P - LN - 08D的NEMA 34尺寸電機(jī)供電和控制，直流電源電壓為48V。

5.2 多相同步降壓轉(zhuǎn)換器

EPC9146還可配置為2相或3相的多相同步降壓轉(zhuǎn)換器。配置為2相轉(zhuǎn)換器時(shí)，用戶可以選擇任何輸出組合，但應(yīng)根據(jù)所選工作頻率使用合適的板上電感器焊盤分配。在這種配置下，需要移除Y電容器（CY），并使用能夠承載額定負(fù)載電流的導(dǎo)體短路焊盤。接地連接變?yōu)榻拥兀℅NDP）返回，輸出電壓可使用任何相電壓測(cè)試點(diǎn)（TP5、TP6或TP7）相對(duì)于接地（GNDP）使用TP8進(jìn)行測(cè)量。

5.3 全橋同步降壓轉(zhuǎn)換器

EPC9146也可配置為全橋轉(zhuǎn)換器，可使用三個(gè)相中的任意兩個(gè)。由于全橋轉(zhuǎn)換器不直接參考接地（GNDP），用戶必須采取適當(dāng)措施確保正確的負(fù)載連接。輸出電壓可使用相應(yīng)的相電壓測(cè)試點(diǎn)（TP5、TP6或TP7）進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)需要確保測(cè)量系統(tǒng)隔離?；蛘撸部梢允褂门c多相轉(zhuǎn)換器相同的方法，使用公共接地（GNDP）并從一個(gè)信號(hào)中減去另一個(gè)信號(hào)來測(cè)量輸出電壓。EPC9528控制器最適合將EPC9146作為直流 - 直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。

6. 快速啟動(dòng)步驟

以下是使用EPC9146和控制器板操作電機(jī)的快速啟動(dòng)步驟：

1. 將EPC9146與表中適用的控制器接口板配對(duì)，并查看相應(yīng)控制接口板的快速啟動(dòng)指南（QSG）以獲取詳細(xì)操作步驟。
2. 將參數(shù)已編程到控制器中的正確電機(jī)連接到EPC9146的連接器J1，并將直流電源連接到連接器J90（注意極性）。
3. 將主電源電壓預(yù)設(shè)到工作電壓，打開電源，觀察電源LED亮起。按下啟動(dòng)/停止按鈕啟動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。通過按下或調(diào)整相應(yīng)的按鈕、旋鈕或軟件設(shè)置來調(diào)整電機(jī)的速度和方向。需要注意的是，用戶界面（按鈕和旋鈕）未隔離，在處理高電壓時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。
4. 電機(jī)運(yùn)行后，進(jìn)行必要的測(cè)量。
5. 關(guān)機(jī)時(shí)，按下啟動(dòng)/停止按鈕停止電機(jī)旋轉(zhuǎn)，然后關(guān)閉主直流電源。

7. 熱考慮

EPC9146適用于室溫環(huán)境下的臺(tái)式評(píng)估，可采用自然對(duì)流或強(qiáng)制風(fēng)冷。添加散熱器可以顯著改善eGaN IC的散熱效果，提高這些器件的電流容量，同時(shí)確保不超過絕對(duì)最大管芯溫度150°C。

板上配備了四個(gè)機(jī)械墊片（S1、S2、S3、S4），可用于輕松安裝標(biāo)準(zhǔn)四分之一磚轉(zhuǎn)換器散熱器。安裝散熱器時(shí)，可能需要添加一層薄絕緣層，以防止散熱器與電容器和電阻器等暴露導(dǎo)體的組件短路。需要在絕緣體上提供一個(gè)方形開口，以便熱界面材料（TIM）能夠放置在需要冷卻的FET上，矩形的每側(cè)與FET之間至少有3mm的間隙。

TIM的選擇需要考慮以下特性：

• 機(jī)械順應(yīng)性：在安裝散熱器時(shí)，TIM會(huì)從原始厚度壓縮到墊片和FET之間的垂直間隙距離。建議最大壓縮比為2:1，以實(shí)現(xiàn)最佳熱性能并限制機(jī)械力，從而最大限度地提高熱機(jī)械可靠性。
• 電氣絕緣：eGaN FET的背面是連接到源極的硅襯底，因此半橋配置中的上FET連接到開關(guān)節(jié)點(diǎn)。為了防止