探索EVAL - M1 - IM535評估板：電機驅(qū)動的理想之選

在電機驅(qū)動應(yīng)用領(lǐng)域，合適的評估板至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下英飛凌（Infineon）的EVAL - M1 - IM535評估板，它是iMOTION?模塊化應(yīng)用設(shè)計套件（MADK）的一部分，專為電機驅(qū)動應(yīng)用而設(shè)計。

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一、評估板概述

1.1 適用范圍與預(yù)期受眾

EVAL - M1 - IM535評估板主要用于電機驅(qū)動應(yīng)用評估，適用于了解電機控制、中低功率電子轉(zhuǎn)換器的技術(shù)專家，且僅適用于實驗室環(huán)境。它搭配如EVAL - M1 - 101T等配備M1 20針接口連接器的控制板，展示了英飛凌的CIPOS? Mini IPM技術(shù)和先進(jìn)的運動控制引擎（MCE 2.0）技術(shù)，可用于永磁電機驅(qū)動。

1.2 重要注意事項

該評估板并非商業(yè)化產(chǎn)品，僅用于評估和測試。它在設(shè)計時考慮了環(huán)境條件，但未在安全要求、全工作溫度范圍或使用壽命方面進(jìn)行合格認(rèn)證。同時，它的測試僅在典型負(fù)載條件下進(jìn)行，在退貨分析（RMA）、工藝變更通知（PCN）和產(chǎn)品停產(chǎn)（PD）等方面與常規(guī)產(chǎn)品的處理流程不同。用戶需確保其使用方式符合所在國家的相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 安全預(yù)防措施

使用該評估板時，務(wù)必注意以下安全事項：

• 該板的直流母線電位高達(dá)400 V DC，使用示波器測量電壓波形時，必須使用高壓差分探頭，否則可能導(dǎo)致人身傷害或死亡。
• 評估板包含直流母線電容，主電源移除后需等待五分鐘，待電容放電至安全電壓水平后再操作，指示燈熄滅不代表電容已放電至安全水平。
• 測試時評估板連接到電網(wǎng)輸入，測量電壓波形時需使用高壓差分探頭。
• 斷開或重新連接電線、進(jìn)行維護(hù)工作前，需先移除或斷開驅(qū)動器電源，并等待五分鐘使母線電容放電。
• 測試時評估板的散熱器和設(shè)備表面可能變熱，操作時需采取必要的防護(hù)措施。
• 只有熟悉驅(qū)動器、電力電子和相關(guān)機械的人員才能對系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、安裝、調(diào)試和維護(hù)。
• 評估板包含對靜電放電（ESD）敏感的部件和組件，安裝、測試、維修時需采取靜電控制措施。
• 驅(qū)動器應(yīng)用或安裝不當(dāng)可能導(dǎo)致組件損壞或產(chǎn)品壽命縮短，布線或應(yīng)用錯誤可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
• 安裝前需移除評估板的包裝材料，否則可能導(dǎo)致過熱或異常運行。

二、評估板特性

2.1 交付內(nèi)容

EVAL - M1 - IM535評估板基于英飛凌的CIPOS? Mini智能功率模塊（IM535 - U6D IPM），提供易于使用的功率級。交付內(nèi)容包括成品板，配備單相交流連接器、EMI濾波器、軟啟動電路、輸入整流器、直流母線電容和三相輸出，用于連接電機。此外，還包含基于CoolSET?的輔助電源，提供15 V和5 V電壓，以及用于電流傳感和過流保護(hù)的發(fā)射極分流器和用于直流母線電壓測量的分壓器。

2.2 框圖

評估板的框圖展示了其功能組，包括220 VAC及PE輸入連接器、EMI濾波器、浪涌繼電器控制、直流母線電容、直流母線連接器、UVW電機相連接器、輔助電源、iMOTION? MADK M1連接器、電流傳感運算放大器、過流和過溫比較器、冷卻風(fēng)扇的DCDC、BLDC冷卻風(fēng)扇和散熱器等。

2.3 主要特性

• 輸入電壓范圍：85~265 VAC
• 最大輸入和輸出電流：20 A
• 最大電機功率輸出：3000 W
• 板載EMI濾波器：有效減少電磁干擾
• 單分流電流傳感運算放大器（OPA）：實現(xiàn)精確的電流測量
• 輔助電源：提供15 V和5 V電壓
• 過流和過溫保護(hù)：保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行
• 直流母線電壓傳感：實時監(jiān)測母線電壓
• 熱敏電阻輸出：用于溫度監(jiān)測
• PCB規(guī)格：166 mm × 166 mm，兩層2 oz.銅，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)

2.4 板參數(shù)和技術(shù)數(shù)據(jù)

三、系統(tǒng)和功能描述

3.1 啟動EVAL - M1 - IN535

要運行電機系統(tǒng)，需要將iMOTION? MADK功率板（EVAL - M1 - IM535）與匹配的MADK控制板（如EVAL - M1 - 101T）組合使用。如果使用EVAL - M1 - 101T控制板，需進(jìn)行以下更改以更好地匹配EVAL - M1 - IM535的運算放大器電流傳感：

• 移除EVAL - M1 - 101T的R6。
• 將EVAL - M1 - 101T的R7從2 kΩ更改為0歐姆。

啟動電機的步驟如下：

1. 將EVAL - M1 - 101T控制板連接到EVAL - M1 - IM535，并將PC - USB連接器連接到EVAL - M1 - 101T。
2. 連接220 V AC電源和UVW輸出到電機。
3. 使用MCEWizard輸入目標(biāo)電機的系統(tǒng)和運行參數(shù)以及評估板的硬件參數(shù)，計算控制器的數(shù)字參數(shù)集。
4. 設(shè)置系統(tǒng)和運行參數(shù)后，進(jìn)入“Verify & Save Page”，點擊“Calculate Parameters”按鈕。若無誤，點擊“Export to MCEDesigner file (.txt)”保存驅(qū)動參數(shù)集；若有錯誤，雙擊錯誤信息并調(diào)整相關(guān)參數(shù)。
5. 打開220 V AC電源，紅色LED1和LED2亮起。
6. 啟動MCEDesigner工具，點擊“File” > “Open”，打開IMC101T設(shè)備的MCEDesigner默認(rèn)配置文件（.irc）。
7. MCEDesigner應(yīng)使用默認(rèn)COM端口自動連接到EVAL - M1 - 101T板。若連接失敗，可在“System Page”窗口中點擊“Preferences > Connection > Connect using”，從下拉列表中選擇其他可用COM端口。
8. 若IMC101T的固件已被擦除，會彈出警告信息，提示編程固件和參數(shù)文件。
9. 若為空白IC，點擊系統(tǒng)頁面，選擇“Tools” > “Programmer”，選擇“Program Firmware and Parameters”，瀏覽并選擇步驟3中的.txt文件，將固件和參數(shù)文件編程到iMOTION?控制IC的內(nèi)部閃存中。
10. 雙擊電機1頁面的“VF Diagnostic”功能，用示波器監(jiān)測電機電流。若電流不是正弦波，調(diào)整目標(biāo)速度和Vd_Ext，直到示波器顯示穩(wěn)定的正弦電流，幅度為電機額定電流的30% - 50%。
11. 點擊控制欄的綠色交通燈按鈕（或雙擊電機1頁面的“Start Motor”子功能）啟動電機。
12. 檢查電機旋轉(zhuǎn)方向，若方向錯誤，調(diào)整UVW連接順序或在MCE Designer中設(shè)置負(fù)目標(biāo)速度。
13. 將目標(biāo)速度設(shè)置為最大速度的50%，啟動“Iu & Flx_M”跟蹤，確保Flx_M在2000 - 2500范圍內(nèi)且穩(wěn)定。
14. 若需要編程新的參數(shù)文件，可選擇“Program Parameters”，無需再次編程固件。

3.2 功能模塊描述

3.2.1 IM535 - U6D概述

IM535 - U6D是CIPOS? Mini IPM，其主要特點包括：

• 3個半橋，采用TRENCHSTOP? 30 A / 600 V和反并聯(lián)二極管用于逆變器部分。
• 由于采用DCB，熱阻極低。
• 堅固的SOI柵極驅(qū)動技術(shù)，對瞬態(tài)和負(fù)電壓具有穩(wěn)定性。
• 單傳輸時允許負(fù)電位高達(dá)VS = -11 V（VBS = 15 V）。
• 集成自舉功能。
• 過流關(guān)斷和內(nèi)置溫度監(jiān)測。
• 欠壓鎖定，保護(hù)期間所有六個開關(guān)關(guān)閉。
• 低側(cè)發(fā)射極引腳可用于相電流監(jiān)測（開路發(fā)射極）。
• 防止交叉導(dǎo)通和睡眠功能。

3.2.2 ICE5AR4770BZS概述

ICE5AR4770BZS是英飛凌的第五代固定頻率CoolSET?，采用DIP - 7封裝，集成了700 V CoolMOS?超結(jié)MOSFET，具有高性能。其主要特點包括：

• 最大開關(guān)頻率為100 kHz，集成700 V MOSFET。
• 通用寬輸入范圍（85 - 300 V AC）下功率輸出可達(dá)15 W，采用DCM設(shè)計。
• 欠壓啟動保護(hù)，采用共源共柵配置實現(xiàn)快速穩(wěn)健的啟動操作。
• 3級可選的進(jìn)入/退出有源突發(fā)模式配置文件（可選）。
• 內(nèi)置數(shù)字軟啟動。
• 逐周期峰值電流限制。
• 支持DCM和CCM操作，具有斜率補償。
• 集成誤差放大器，支持非隔離反激拓?fù)涞闹苯臃答仭?/li>
• 負(fù)載降低時數(shù)字頻率降低，提高效率。
• 頻率抖動和軟柵極驅(qū)動，降低EMI。
• VCC引腳短路到地時限制充電電流。
• 具有VCC過壓、VCC欠壓、過載/開路、過溫保護(hù)等全面保護(hù)功能，所有保護(hù)功能均支持自動重啟。

3.2.3 電機電流傳感運算放大器配置和計算

為抑制功率板和MADK控制板之間的共模噪聲，采用11 MHz軌到軌I/O CMOS OPA SGM721XN5進(jìn)行電機電流傳感。EVAL - M1 - IM535評估設(shè)計的默認(rèn)配置為兩個5 mΩ 2.5 W（2512封裝）分流電阻和10倍外部增益OPA，即1 A電機電流產(chǎn)生25 mV電壓到ADC輸入，MCEWizard的“Motor1 Current Input Scaling”需輸入25 mV/A。

外部放大器增益電路是基于SGM721XN5的典型差分放大器，具有輸入低通濾波器（LPF）和運算偏置。輸入差分模式LPF可抑制部分PWM開關(guān)噪聲，默認(rèn)LPF時間常數(shù)為470 ns，典型建立時間為0.1 - 0.5 us，具體取決于PCB布局、直流母線去耦電容和IGBT / MOS柵極驅(qū)動配置。

為提高共模噪聲抑制能力，建議使用平衡差分放大器，即R33等于R26和R27的并聯(lián)值。R26和R27的分壓器為放大器提供運算偏置，影響最大電動電流和再生電流范圍。根據(jù)默認(rèn)配置，R26 = 22 k，R27 = 220 k，運算放大器在電機電流為零時輸出454 mV，454 mV / 運算放大器增益 / RS1為最大允許再生電流。若選擇1倍ADC內(nèi)部增益，電機電流傳感范圍為4546 mV；若選擇3倍ADC內(nèi)部增益，范圍為1212 mV?！癕otor Rated Amps * Motoring Current Limit”應(yīng)低于最大允許范圍。

對于不工作在再生模式的應(yīng)用（如空調(diào)），OPA輸出偏置會浪費ADC的可用范圍；對于需要更大再生電流范圍的應(yīng)用（如風(fēng)扇應(yīng)用），需根據(jù)再生要求增加放大器偏置。

四、系統(tǒng)設(shè)計

4.1 原理圖

EVAL - M1 - IM535的原理圖包括8 W隔離反激式電源和逆變器部分：

• 隔離反激式電源：基于ICE5AR4770BZS，為IPM和控制器板提供+15 V和+5 V輸出。變壓器T1基于EE16磁芯，額定功率為8 W，適用于大多數(shù)空調(diào)應(yīng)用。R3、R5、R7和R8決定電源的欠壓啟動和欠壓關(guān)閉電壓，R10和R11用于感測最大峰值電流，R15、R16和R18決定+15 V和+7 V的輸出電壓。U5是冷卻風(fēng)扇速度的DC - DC控制器，R19、R23和R21可調(diào)整風(fēng)扇初始速度和基于IPM溫度的調(diào)整，VR1用于手動風(fēng)扇速度調(diào)整。12 V繼電器控制電源來自+15 V，通過D1和D2提供，精度不高。PC817用于反激式電源的初級隔離，可減少控制器板的共模噪聲，提高電機電流傳感的信噪比。
• 逆變器部分：包含IM535 - U6D及其外圍電路。U6（SGM721）是典型的平衡差分放大器，增益為10倍，OPA偏置由R26和R27的分壓器決定，C29、C27和C31影響總LPF帶寬。U7A（LM393）用于過流保護(hù)，R50是調(diào)整過流閾值的主要電阻；U7B（LM393）用于過溫保護(hù)，IPM內(nèi)部NTC的上拉電阻是一個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，不建議更改U7B的硬件設(shè)置，可在MCEWizard中調(diào)整過溫保護(hù)設(shè)置。J5用于Vdc母線電壓測試或連接外部DC源或PFC電路。C54 - C57是直流母線電容，默認(rèn)值為400 V，820 μF或1000 μF，若有外部380 V PFC或超過265 VAC輸入，需更換為450 V電容。L5是共模扼流圈，是影響EMI性能的關(guān)鍵組件，PCB上放置了兩個封裝，適用于3 - 9 mH和18 - 23 A的共模電感。J2是20針接口，用于MADK控制板，僅引腳10和12（IU +和IU -）用于單分流電流傳感（ISS來自O(shè)PA輸出）。

4.2 布局

評估板采用兩層70 μm銅（2 oz.銅），尺寸為166 mm × 166 mm，PCB厚度為1.6 mm。文檔提供了頂層裝配圖以及頂層和底層的布線圖。

4.3 物料清單

文檔列出了評估板的主要部件，包括運算放大器、比較器、MOSFET、IPM、調(diào)節(jié)器、繼電器、風(fēng)扇、二極管橋、電容、電阻、電感等。完整的物料清單可在英飛凌主頁的下載部分獲取，下載需要登錄。

4.4 連接器細(xì)節(jié)

• AC輸入連接器（J4）：包含L（交流線路）、N（交流中性線）和PE