EVAL - M1 - IM818 - A評(píng)估板：電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的理想之選

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域，一款性能優(yōu)良、易于使用的評(píng)估板能為工程師們的設(shè)計(jì)工作帶來極大便利。今天，我們就來深入了解一下英飛凌的EVAL - M1 - IM818 - A評(píng)估板，看看它在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中能發(fā)揮怎樣的作用。

文件下載：EVALM1IM818ATOBO1.pdf

一、評(píng)估板概述

EVAL - M1 - IM818 - A評(píng)估板是iMOTION?模塊化應(yīng)用設(shè)計(jì)套件（MADK）的一部分。該套件旨在將各種功率級(jí)與不同的控制板相結(jié)合，通過20針的iMOTION? MADK M1接口連接器實(shí)現(xiàn)輕松連接。

此評(píng)估板基于英飛凌的CIPOS? Maxi智能功率模塊（IPM），為無傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC）提供了完整的功率級(jí)解決方案。它配備了單相交流連接器、整流器和三相輸出，用于連接電機(jī)，同時(shí)還包含用于電流傳感的發(fā)射極（橋臂）分流器和用于直流母線電壓測(cè)量的分壓器。

需要注意的是，評(píng)估板的設(shè)計(jì)考慮了環(huán)境條件，但未針對(duì)安全要求、整個(gè)工作溫度范圍或使用壽命進(jìn)行全面測(cè)試。它僅用于實(shí)驗(yàn)室條件下的評(píng)估和測(cè)試，不適合用于可靠性測(cè)試或生產(chǎn)。

1.1 交付內(nèi)容

1.2 框圖

評(píng)估板的框圖展示了其主要組成部分，包括直流EMI濾波器、軟啟動(dòng)電路、20針iMOTION? MADK - M1接口連接器、提供15V和3.3V的輔助電源以及CIPOS? Maxi IPM IM818 - MCC。默認(rèn)的CIPOS? Maxi IPM為IM818 - MCC，具有1200V的電壓和10A的電流額定值，采用優(yōu)化的6通道SOI柵極驅(qū)動(dòng)器，可用于控制三相交流電機(jī)和永磁電機(jī)，適用于變速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，如低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.3 主要特性

• CIPOS? Maxi IPM IM818 - MCC特性：
  • 采用1200V TRENCHSTOP? IGBT4，最大阻斷電壓(V{CES}=1200V)，在25°C外殼溫度下最大輸出電流(I{C}=16A)。
  • 具備堅(jiān)固的1200V SOI柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，對(duì)瞬態(tài)和負(fù)電壓具有穩(wěn)定性，允許在(VBS = 15V)時(shí)負(fù)VS電位高達(dá) - 11V進(jìn)行信號(hào)傳輸。
  • 集成自舉功能、過流關(guān)斷、內(nèi)置NTC熱敏電阻用于溫度監(jiān)測(cè)、所有通道欠壓鎖定、低側(cè)發(fā)射極引腳可訪問、用于所有相電流監(jiān)測(cè)（開放發(fā)射極）、交叉導(dǎo)通預(yù)防、保護(hù)時(shí)所有6個(gè)開關(guān)關(guān)閉、可編程故障清除時(shí)間和使能輸入，并且引腳鍍鉛-free，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。
• 評(píng)估板特性：
  • 標(biāo)稱輸入電壓380VAC，默認(rèn)2.4kW電機(jī)功率輸出。
  • 板載EMI濾波器，默認(rèn)配置每個(gè)橋臂的電流傳感，可對(duì)直流母線電壓進(jìn)行傳感。
  • 測(cè)量測(cè)試點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)示波器探頭兼容，PCB尺寸為197mm x 140mm，采用兩層35μm銅箔，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 板參數(shù)和技術(shù)數(shù)據(jù)

二、系統(tǒng)和功能描述

2.1 調(diào)試

EVAL - M1 - IM818 - A評(píng)估板是一個(gè)沒有控制部分的電源系統(tǒng)，它通過M1連接器接收控制輸入。以英飛凌iMOTION?控制板EVAL - M1 - 101T為例，它是一個(gè)電機(jī)控制引擎（MCE）評(píng)估板，用戶在使用它驅(qū)動(dòng)功率板時(shí)，可參考其用戶手冊(cè)AN2018 - 01獲取詳細(xì)信息。

2.2 入門指南

要運(yùn)行電機(jī)系統(tǒng)，需要將iMOTION? MADK功率板（EVAL - M1 - IM818 - A）與匹配的MADK控制板相結(jié)合。同時(shí)，還需要iMOTION?軟件工具M(jìn)CEDesigner和MCEWizard來初始化系統(tǒng)，并控制和微調(diào)系統(tǒng)性能以滿足用戶的具體需求。

2.3 系統(tǒng)設(shè)置

在下載并安裝iMOTION? PC工具（MCEWizard和MCEDesigner）后，需要按照以下步驟運(yùn)行電機(jī)：

1. 通過USB電纜將板載調(diào)試器上的PC - USB連接器連接到PC。
2. 將EVAL - M1 - IM818 - A的MADK M1 20針接口連接器（J3）連接到控制板。
3. 從www.infineon.com/imotion - software網(wǎng)頁獲取最新的“IMC101T - T038 MCE軟件包”。
4. 將電機(jī)相輸出連接到電機(jī)。
5. 使用MCEWizard輸入電機(jī)和評(píng)估板的硬件參數(shù)，然后點(diǎn)擊“Export to Designer file (.txt)”按鈕生成系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)文件，供MCEDesigner使用。
6. 將交流電源連接到電源輸入連接器（J1）并開啟系統(tǒng)。
7. 打開MCEDesigner，通過點(diǎn)擊“File”菜單并在下拉列表中選擇“Open”，打開IMC101T設(shè)備的MCEDesigner默認(rèn)配置文件（.irc）。
8. 點(diǎn)擊“File” > “Import Drive Parameters”，導(dǎo)入在步驟5中生成的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)文件，選擇“Update All”單選按鈕。
9. 通過點(diǎn)擊下拉菜單中的“Tools > Programmer”，將MCE固件和系統(tǒng)參數(shù)編程到iMOTION? IC的內(nèi)部閃存中。如果IMC101T - T038 IC中已經(jīng)編程了最新版本的MCE固件，則可以選擇“Program Parameters”單選按鈕跳過固件編程。最后點(diǎn)擊“Start”按鈕編程固件和參數(shù)（或僅編程參數(shù)）。
10. 點(diǎn)擊控制欄中的綠色交通燈按鈕啟動(dòng)電機(jī)。

2.4 iMOTIOM?開發(fā)工具和軟件

MCEDesigner和MCEWizard的iMOTION?開發(fā)工具安裝程序可從英飛凌iMOTION?網(wǎng)站（http://www.infineon.com/imotion - software）下載。板載調(diào)試器使用SEGGER J - Link的驅(qū)動(dòng)程序與IMC101T - T038進(jìn)行UART通信，J - Link驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒃贛CEDesigner安裝過程中安裝。如果驅(qū)動(dòng)程序安裝不正確，請(qǐng)前往SEGGER J - Link網(wǎng)站下載并安裝最新的J - Link“Windows軟件和文檔包”。

2.4.1 MCEWizard設(shè)置概述

安裝MCEWizard后，其快捷方式會(huì)出現(xiàn)在Windows桌面上。雙擊快捷方式打開MCEWizard，通過下拉列表選擇MADK控制板或功率板。如果最新的功率板未在MCEWizard工具中預(yù)配置，則可以選擇其他類似的功率板，并根據(jù)所選板的具體參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置。確保選中“我已修改電路板”和“啟用高級(jí)問題”復(fù)選框。完成所有問題的回答后，點(diǎn)擊“Calculate”按鈕和“Export to Designer File (.txt)”按鈕保存參數(shù)文件，供MCEDesigner使用。

2.4.2 MCEDesigner設(shè)置概述

安裝MCEDesigner安裝程序后，其快捷方式會(huì)出現(xiàn)在Windows桌面上。雙擊快捷方式打開MCEDesigner，然后打開“IMC101T_xx.irc”文件。要將系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)編程到IMC101T - T038中，點(diǎn)擊“Tools”菜單并選擇“Programmer”，在彈出窗口中點(diǎn)擊“Program Parameters”單選按鈕，然后通過“Browse”選擇使用MCEWizard創(chuàng)建的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)文件，最后點(diǎn)擊“Start”按鈕將參數(shù)文件編程到IMC101T - T038 IC中。編程完成且電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通電后，MCEDesigner可用于啟動(dòng)/停止電機(jī)、顯示電機(jī)電流軌跡、更改電機(jī)速度、修改驅(qū)動(dòng)參數(shù)等功能。

2.5 功能塊描述

評(píng)估板的功能塊包括AC線路連接器、繼電器和保險(xiǎn)絲、20針iMOTION? MADK - M1接口連接器、分流電阻、EMI濾波器、輔助電源、電機(jī)相連接器、CIPOS? Maxi IPM和整流橋等。同時(shí)，文檔還提供了各個(gè)連接器的詳細(xì)信息，如AC線路連接器J1、20針iMOTION? MADK - M1接口連接器J3和電機(jī)側(cè)連接器J2的引腳分配。

2.6 硬件描述

2.6.1 DC總線測(cè)量和MCEWizard配置

連接器J3的引腳14可訪問直流母線電壓，默認(rèn)情況下，評(píng)估板上安裝了1MΩ的下拉電阻R8，以防止高總線電壓直接連接到連接器J3?？刂瓢迳闲枰迦?3.3kΩ（EVAL - M1 - 101T）或4.87kΩ（EVAL - M1 - 183M）的下拉電阻，使DCBSENSE電壓在0到3.3V范圍內(nèi)，反映0到800V的直流母線電壓范圍。

2.6.2 電機(jī)外部電流反饋配置和計(jì)算

電流輸入值是分流電阻（毫歐）與EVAL - M1 - 101T外部電流傳感放大器增益的乘積。根據(jù)基爾霍夫電壓定律計(jì)算得出，EVAL - M1 - 101T和EVAL - M1 - IM818 - A的MADK組合的電流輸入為20.83mV/A。

2.6.3 ITRIP和GK設(shè)置

• ITRIP設(shè)置：IM818系列通過將ITRIP輸入與分流電流反饋連接提供過流檢測(cè)功能。ITRIP比較器閾值（典型值0.5V）參考VSS接地。當(dāng)電流高于28.6A時(shí)，將導(dǎo)致柵極驅(qū)動(dòng)器所有輸出關(guān)閉，關(guān)閉傳播延遲通常為1μs。
• PWM關(guān)閉和GK輸出：當(dāng)檢測(cè)到過流時(shí)，ITRIP電壓超過閾值，C30放電，GK降為“0”，并通過J3向控制板發(fā)送信號(hào)。GK“0”狀態(tài)持續(xù)約150μs，之后GK變?yōu)殚_路漏極，通過R20對(duì)C30充電，R20和C30的時(shí)間常數(shù)約為470μs。

2.6.4 NTC熱敏電阻特性和過熱保護(hù)計(jì)算

評(píng)估板使用NTC熱敏電阻進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，NTC在(TNTC = 25^{circ}C)時(shí)為85kΩ，B常數(shù)為4092K。文檔提供了不同溫度下NTC電阻和VTH輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，可用于設(shè)置IPM溫度關(guān)機(jī)值。

2.6.5 EMI濾波器和軟啟動(dòng)電路

從AC線路輸入連接器J1到整流后的直流母線電壓的電路包括一個(gè)無源EMI濾波器、40A/1200V整流塊DB、用于浪涌電流保護(hù)的保險(xiǎn)絲F1和用于軟啟動(dòng)和降低穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)損耗的繼電器K1。四個(gè)電解電容用于緩沖整流后的直流母線電壓。

三、原理圖和布局

3.1 逆變器部分

評(píng)估板的逆變器部分采用CIPOS? Maxi IPM實(shí)現(xiàn)，模塊包括優(yōu)化的SOI柵極驅(qū)動(dòng)器和三相逆變器，使用1200V TRENCHSTOP? IGBT和發(fā)射極控制二極管。三個(gè)電容C10、C11和C12用作自舉電容，分別提供必要的浮動(dòng)電源電壓VBS1、VBS2和VBS3。

3.2 輔助電源

輔助電源電路包括ICE5QSAG，用于直接從直流母線生成15V電壓，VCC連接到CIPOS? IPM內(nèi)部的柵極驅(qū)動(dòng)器。線性穩(wěn)壓器IFX25001ME V33從15V電源VCC生成3.3V電壓，VCC和3.3V也出現(xiàn)在20針接口連接器J2上，為控制板上的電路供電。

3.3 布局

評(píng)估板的PCB默認(rèn)有兩個(gè)電氣層，銅箔厚度為35μm，尺寸為197mm × 140mm，板厚為1.6mm。用戶可聯(lián)系技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)獲取更詳細(xì)的信息和最新的Gerber文件。

3.4 物料清單

評(píng)估板的完整物料清單可在英飛凌主頁的下載部分獲取，下載需要登錄。文檔中列出了一些重要部件的物料清單。

四、系統(tǒng)性能

4.1 輸出能力測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試EVAL - M1 - IM818 - A的總功率能力，在不同的輸入和輸出電流下測(cè)試了IPM外殼溫度。測(cè)試溫度(T_{a}=25^{circ}C)，評(píng)估板提供風(fēng)冷選項(xiàng)，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)設(shè)置為15V 200mA。測(cè)試設(shè)置包括400VDC（298VAC 50Hz三相輸入）、700VDC（518VAC 50Hz三相輸入）、380VAC（三相輸入），PWM頻率為6kHz和20kHz的三相調(diào)制。通過紅外相機(jī)測(cè)量IPM外殼溫度，運(yùn)行電機(jī)至40