EVAL - M3 - CM615PN評(píng)估板：電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的理想之選

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域，一款性能出色的評(píng)估板對(duì)于工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試至關(guān)重要。今天我們就來詳細(xì)了解一下英飛凌（Infineon）的EVAL - M3 - CM615PN評(píng)估板，看看它在電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中能為我們帶來哪些便利和優(yōu)勢。

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一、安全注意事項(xiàng)

在使用EVAL - M3 - CM615PN評(píng)估板之前，務(wù)必牢記安全注意事項(xiàng)。該系統(tǒng)的接地電位偏向負(fù)直流母線電壓電位，使用示波器測量電壓波形時(shí)，必須隔離示波器的接地端，否則可能導(dǎo)致人身傷害、死亡以及設(shè)備損壞。只有熟悉驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)機(jī)械的人員才能進(jìn)行系統(tǒng)的安裝、啟動(dòng)和后續(xù)維護(hù)工作。此外，驅(qū)動(dòng)器表面可能會(huì)發(fā)熱，要防止?fàn)C傷。同時(shí)，評(píng)估板包含對(duì)靜電放電（ESD）敏感的部件，安裝、測試、維修時(shí)需采取靜電控制措施。

二、評(píng)估板簡介

EVAL - M3 - CM615PN評(píng)估板是iMOTION?模塊化應(yīng)用設(shè)計(jì)套件（MADK）的一部分，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)。要運(yùn)行電機(jī)，需要匹配的控制板與該功率板進(jìn)行接口連接。該套件平臺(tái)可將各種功率級(jí)與不同的控制板結(jié)合使用，通過30針的iMOTION? MADK M3接口（如Eval - M3 - 102T）或20針的iMOTION? MADK M1接口連接器與控制板連接。此評(píng)估板配備30針M3連接器，僅用于單電機(jī)和升壓功率因數(shù)校正（PFC）控制。

評(píng)估板基于英飛凌的CIPOS? Mini智能功率模塊（IPM），提供了基于無傳感器磁場定向控制（FOC）的易用功率級(jí)。它具備單相交流連接器、整流器、PFC電感連接器、升壓PFC以及三相輸出接口，用于連接電機(jī)。功率級(jí)還包含用于電流傳感的發(fā)射極分流器和用于直流母線電壓測量的分壓器。

三、主要特性

3.1 CIPOS? Mini IPM IFCM15P60GD特性

• 逆變器部分：具有3個(gè)半橋，采用TRENCHSTOP? IGBT3 15A/600V和反并聯(lián)二極管。
• PFC部分：配備30A/650V TRENCHSTOP? 5 IGBT和快速開關(guān)發(fā)射極控制二極管。
• 環(huán)保設(shè)計(jì)：無鉛端子鍍層，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。
• 低熱阻：由于采用直接覆銅陶瓷基板（DCB），具有極低的熱阻。
• 可靠的驅(qū)動(dòng)技術(shù)：采用堅(jiān)固的SOI柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)瞬態(tài)和負(fù)電壓具有穩(wěn)定性。
• 其他特性：允許負(fù)電位高達(dá)VS = - 11V（VBS = 15V時(shí)單傳輸），集成自舉功能，具備過流關(guān)斷、溫度監(jiān)測、欠壓鎖定、低側(cè)公共發(fā)射極、交叉?zhèn)鲗?dǎo)防止等功能，在保護(hù)期間所有六個(gè)開關(guān)都會(huì)關(guān)閉。

3.2 評(píng)估板特性

• 輸入電壓：160 ~ 265VAC。
• 輸出功率：最大650W電機(jī)功率輸出。
• 功率因數(shù)校正：具備功率因數(shù)校正功能。
• EMI濾波：板載EMI濾波器。
• 電流傳感：采用單分流器進(jìn)行電流傳感。
• 輔助電源：提供15V和3.3V輔助電源。
• 保護(hù)功能：具備過流保護(hù)、過溫硬件保護(hù)、直流母線電壓傳感、熱敏電阻輸出、故障診斷輸出等功能。
• 測試點(diǎn)：測量測試點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)示波器探頭兼容。
• PCB特性：PCB尺寸為120mm × 120mm，兩層結(jié)構(gòu)，每層銅厚35μm，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 評(píng)估板規(guī)格

3.4 引腳分配

評(píng)估板包含多個(gè)連接器，各連接器引腳分配如下：

• AC輸入連接器J1：提供中性線、地線和交流線輸入。
• PFC電感連接器J2：連接PFC電感的兩側(cè)。
• 電機(jī)側(cè)連接器J4：連接電機(jī)的U、V、W相。
• 30針iMOTION? MADK - M3接口連接器J3：作為與控制板的接口，包含PWM信號(hào)輸入、電流傳感輸出、直流母線電壓傳感、熱敏電阻輸出等引腳。

四、入門指南

4.1 系統(tǒng)設(shè)置

要運(yùn)行電機(jī)系統(tǒng)，需要將iMOTION? MADK功率板（EVAL - M3 - CM615PN）與匹配的MADK控制板組合使用，并使用iMOTION?軟件工具M(jìn)CEDesigner和MCEWizard進(jìn)行系統(tǒng)初始化、控制和微調(diào)。具體步驟如下：

1. 通過USB電纜將板載調(diào)試器的PC - USB連接器連接到PC。
2. 將EVAL - M3 - CM615PN的MADK M3 30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“IMC102T - F064 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)估板硬件參數(shù)，并點(diǎn)擊“Export to Designer file (.txt)”按鈕生成系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)文件。
6. 將PFC電感連接到PFC電感連接器（J2）。
7. 將交流電源連接到電源輸入連接器（J1）并開啟系統(tǒng)電源。
8. 打開MCEDesigner，通過“File”菜單選擇“Open”打開IMC102T設(shè)備的默認(rèn)配置文件（.irc）。
9. 通過“File” > “Import Drive Parameters”導(dǎo)入系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)文件，并選擇“Update All”單選按鈕。
10. 通過“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。如果最新版本的MCE固件已經(jīng)編程到IMC102T - F064 IC中，可以選擇“Program Parameters”單選按鈕跳過固件編程。最后點(diǎn)擊“Start”按鈕進(jìn)行編程。
11. 點(diǎn)擊控制欄中的綠色交通燈按鈕啟動(dòng)電機(jī)。

4.2 iMOTION?開發(fā)工具和軟件

iMOTION?開發(fā)工具M(jìn)CEDesigner和MCEWizard的安裝程序可從英飛凌iMOTIONTM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)進(jìn)行與IMC102T - F064的UART通信，J - Link驅(qū)動(dòng)將在MCEDesigner安裝過程中安裝。

4.2.1 MCEWizard設(shè)置概述

安裝MCEWizard后，可在Windows桌面找到快捷方式。雙擊打開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，可選擇其他相似的功率板并輸入特定參數(shù)。完成所有問題回答后，點(diǎn)擊“Calculate”和“Export to Designer File (.txt)”按鈕保存參數(shù)文件。

4.2.2 MCEDesigner設(shè)置概述

安裝MCEDesigner后，在Windows桌面打開快捷方式，打開“IMC102T_xx.irc”文件。通過“Tools”菜單選擇“Programmer”，點(diǎn)擊“Program Parameters”單選按鈕，選擇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IMC102T - F064 IC中。編程完成后，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。

五、硬件描述

5.1 升壓PFC部分

該部分電路從交流輸入連接器J1到整流后的直流母線電壓DCP，包括無源EMI濾波器、整流橋、熔斷器、NTC電阻和繼電器。PFC部分使用CIPOS? mini IPM實(shí)現(xiàn)，采用IRS44273L驅(qū)動(dòng)IGBT，PFC電感應(yīng)連接到J2。PFC IPM包含TRENCHSTOP? 5 IGBT和快速開關(guān)發(fā)射極控制二極管，對(duì)于650W功率輸出，PFC電感的電感值應(yīng)大于3mH。

5.1.1 AC電壓傳感和MCEWizard配置

默認(rèn)情況下，AC電壓傳感位于整流橋U1之前。對(duì)于EVAL - M3 - 102T控制板，應(yīng)選擇差分模式進(jìn)行AC電壓傳感。功率板上AC電壓傳感電阻分壓器的高側(cè)電阻為2000kΩ，需在MCEWizard中進(jìn)行配置，低側(cè)電阻值可參考控制板用戶手冊(cè)。

5.1.2 與IRMCF188配合的AC電壓傳感硬件修改

對(duì)于控制板EVAL - M3 - 188和控制器IC IRMCF188，AC電壓傳感應(yīng)位于整流橋U1之后。需要組裝1MΩ的AC電壓傳感電阻R4和R14，并移除電阻R1和R10。

5.1.3 PFC外部電流反饋配置和計(jì)算

EVAL - M3 - 102T的PFC分流電阻RS1為30mΩ，電流輸入值為分流電阻（毫歐）與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，EVAL - M3 - 102T和EVAL - M3 - CM615PN組合的電流輸入為27.69mV/A。

5.1.4 PFC過流保護(hù)電路和PFC門極關(guān)斷配置

當(dāng)母線電流Ibus大于設(shè)定值時(shí)，PFC保護(hù)電路的輸出PFCGK將觸發(fā)低電平并激活。EVAL - M3 - CM615PN評(píng)估板的PFCGK激活設(shè)定電流為15.5A。控制板EVAL - M3 - 102T不使用外部PFC門極關(guān)斷信號(hào)PFCGK。

5.2 逆變器部分

逆變器部分同樣使用CIPOS? mini IPM實(shí)現(xiàn)，包括優(yōu)化的SOI柵極驅(qū)動(dòng)器和由TRENCHSTOP? IGBT和反并聯(lián)二極管組成的三相逆變器。三對(duì)電容C11和C12、C13和C14、C15和C16用作自舉電容，分別提供必要的浮動(dòng)電源電壓。

5.2.1 DC母線傳感和MCEWizard配置

連接器J3的引腳14和26可訪問直流母線電壓DCBsense。默認(rèn)情況下，電阻R25未安裝在Eval - M3 - CM615PN上，相應(yīng)的控制板上必須安裝下拉電阻。如果在評(píng)估板或控制板上插入13.3kΩ的下拉電阻，DCBSense電壓將在0 - 3.3V范圍內(nèi)反映0 - 420V的直流母線電壓范圍。功率板上DC母線傳感電阻分壓器的高側(cè)電阻為2000kΩ，需在MCEWizard中進(jìn)行配置，低側(cè)電阻值可參考控制板用戶手冊(cè)。

5.2.2 電機(jī)外部電流反饋配置和計(jì)算

EVAL - M3 - 102T的電流輸入值為分流電阻（毫歐）與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，EVAL - M3 - 102T和EVAL - M3 - CM615PN組合的電流輸入為25mV/A。

5.2.3 逆變器過流保護(hù)和電機(jī)門極關(guān)斷配置

電流傳感信號(hào)I_Shunt通過電阻R32連接到ITRIP，ITRIP通過電容C21進(jìn)行濾波。ITRIP正向閾值的典型值為470mV，逆變器輸出峰值電流約為15.67A。當(dāng)電機(jī)峰值電流超過設(shè)定值且持續(xù)時(shí)間超過ITRIP輸入濾波時(shí)間時(shí)，VFO將觸發(fā)低電平，即門極關(guān)斷信號(hào)激活。對(duì)于iMOTION? IMC1xx控制IC，有三種門極關(guān)斷輸入源類型。

5.3 熱敏電阻/NTC特性和保護(hù)計(jì)算

評(píng)估板在30針連接器J3的引腳15提供熱敏電阻/NTC輸出，可通過電阻測量計(jì)算溫度。

5.3.1 CIPOS?內(nèi)部NTC - 熱敏電阻特性

CIPOS? mini IPM內(nèi)置NTC的熱敏電阻特性在不同溫度下有不同的電阻值，其B常數(shù)為4092K。VFO引腳可直接訪問NTC，需連接外部上拉電阻到+3.3V，以確保產(chǎn)生的電壓可直接連接到微控制器。

5.3.2 過溫硬件保護(hù)電路

VFO引腳不僅可直接訪問NTC，還可在VDD引腳欠壓或ITRIP觸發(fā)過流檢測時(shí)指示模塊故障。在Eval - M3 - CM615PN和Eval - M3 - 102T評(píng)估設(shè)計(jì)套件中，VFO引腳直接連接到控制器IC IMC102T的門極關(guān)斷引腳。對(duì)于iMOTION? 100系列控制板，門極關(guān)斷的最大輸入低電壓為0.8V，選擇合適的電阻確保120°C時(shí)VFO電壓為0.8V，當(dāng)NTC溫度繼續(xù)上升時(shí)，門極關(guān)斷將要求微控制器停止生成PWM脈沖。

5.3.3 NTC關(guān)斷值計(jì)算和配置

外部NTC溫度關(guān)斷值可通過特定公式計(jì)算，并在MCEWizard中進(jìn)行配置。例如，對(duì)于EVAL - M3 - 102T，控制板上的上拉電阻為4.87kΩ，EVAL - M3 - CM615PN上的電阻R35和R36分別為9.1kΩ和10kΩ。當(dāng)設(shè)定溫度為100°C時(shí)，關(guān)斷值應(yīng)為2.75V；當(dāng)設(shè)定溫度為85°C時(shí)，關(guān)斷值應(yīng)為2.87V。

5.4 輔助電源

輔助電源電路包括LNK306，用于直接從直流母線生成15V電源，VCC連接到CIPOS? IPM內(nèi)部的柵極驅(qū)動(dòng)器。線性穩(wěn)壓器IFX1117ME V33從15V電源VCC生成3.3V電源，用于PFC過流比較器電路和過溫硬件保護(hù)電路。VCC和3.3V電源也存在于30針iMOTION? MADK - M3接口連接器J3上，為控制板上的電路供電。

5.5 原理圖

文檔提供了EVAL - M3 - CM615PN的PFC部分、逆變器部分和輔助電源部分的原理圖，方便工程師進(jìn)行電路分析和設(shè)計(jì)。

5.6 PCB布局

評(píng)估板的PCB默認(rèn)有兩個(gè)電氣層，銅厚35μm，尺寸為120mm × 120mm，板厚1.6mm。其布局可用于不同電壓或功率等級(jí)的應(yīng)用。若需要更詳細(xì)的信息和最新的Gerber文件，可聯(lián)系技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)。

六、物料清單

文檔提供了EVAL - M3 - CM615PN的完整物料清單，包括電容、電阻、二極管、集成電路等各種元件的型號(hào)、數(shù)量、制造商等信息，方便工程師進(jìn)行采購和組裝。

七、參考資料

文中列出了相關(guān)的參考資料，如英飛凌CIPOS? mini IPM IFCM15P60GD的數(shù)據(jù)手冊(cè)、應(yīng)用筆記、用戶指南等，所有參考資料均可從英飛凌網(wǎng)站下載。同時(shí)，英飛凌提供產(chǎn)品注冊(cè)