CoolSiC? MOSFET電機驅(qū)動評估板Eval - M5 - E1B1245N - SiC深度解析

在電機驅(qū)動應(yīng)用領(lǐng)域，一款優(yōu)秀的評估板能為工程師們提供便捷的測試和開發(fā)環(huán)境。今天我們就來深入了解一下Infineon的CoolSiC? MOSFET電機驅(qū)動評估板Eval - M5 - E1B1245N - SiC，它專為7.5 kW電機驅(qū)動應(yīng)用而設(shè)計，下面將從多個方面對其進行詳細剖析。

文件下載：EVALM5E1B1245NSICTOBO1.pdf

一、安全注意事項

在使用Eval - M5 - E1B1245N - SiC評估板時，安全是首要考慮的因素。以下這些安全注意事項必須嚴格遵守：

1. 高壓測量：該系統(tǒng)的直流母線電位與電網(wǎng)輸入相連，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)致人身傷害甚至死亡。而且，顯示LED變暗并不意味著電容器已放電至安全電壓水平。
2. 電容放電：系統(tǒng)包含直流母線電容器，主電源移除后，電容器需要時間放電。在對驅(qū)動系統(tǒng)進行操作前，需等待五分鐘，確保電容器放電至安全電壓水平。
3. 人員資質(zhì)：只有熟悉驅(qū)動和輔助機械的人員才能進行系統(tǒng)的安裝、啟動和后續(xù)維護，否則可能導(dǎo)致人身傷害和設(shè)備損壞。
4. 表面溫度：驅(qū)動表面可能會變熱，可能會造成燙傷。
5. 靜電防護：系統(tǒng)包含對靜電放電（ESD）敏感的部件和組件，在安裝、測試、維修時需要采取靜電控制措施，否則可能導(dǎo)致組件損壞。
6. 正確應(yīng)用：驅(qū)動器應(yīng)用或安裝不當，可能導(dǎo)致組件損壞或縮短產(chǎn)品壽命。如電機選型過小、交流電源不正確或不足、環(huán)境溫度過高等都可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
7. 斷電操作：在斷開或重新連接電線或進行維修前，必須先移除驅(qū)動器的電源，并等待五分鐘讓母線電容器放電，直到母線電容器放電至零后才能進行維修。
8. 包裝材料：評估板發(fā)貨時帶有包裝材料，安裝前必須移除，否則可能導(dǎo)致過熱或異常運行。

二、評估板簡介

Eval - M5 - E1B1245N - SiC評估板是iMOTION?模塊化應(yīng)用設(shè)計套件（iMOTION? MADK）的一部分，可通過iMOTION? MADK - M5 32針接口連接器與控制板（如XMC DriveCard 4400或XMC DriveCard 1300）輕松連接。

它基于英飛凌的三相功率模塊，是一個易于使用的功率級。板上配備了相輸出分流器，可實現(xiàn)無傳感器控制，還提供三相交流連接器、EMI濾波器、整流器和三相輸出，用于連接電機。功率級還包含隔離的電流、電壓和溫度傳感電路。

該評估板可通過英飛凌的常規(guī)分銷合作伙伴以及英飛凌網(wǎng)站獲取。不過需要注意的是，它僅經(jīng)過功能測試，在安全要求、整個工作溫度范圍或壽命方面的制造和操作并未經(jīng)過全面認證，僅適用于實驗室條件和專業(yè)人員使用。

三、設(shè)計特點

3.1 主要特性

• 功率模塊：采用EasyPACK? 1B 1200 V / 45 mΩ六管模塊，集成CoolSiC? MOSFET，具有低電感設(shè)計，并且采用無鉛端子鍍層，符合RoHS標準。
• 溫度傳感器：集成NTC溫度傳感器，可實時監(jiān)測模塊溫度。
• 電氣特性：輸入電壓范圍為340 ~ 480 VAC，最大電機功率輸出可達7.5 kW。
• 保護功能：具備過載、短路和過溫硬件保護功能，出現(xiàn)保護時所有六個開關(guān)會關(guān)閉。
• 驅(qū)動技術(shù)：采用堅固的柵極驅(qū)動技術(shù)，對瞬態(tài)和負電壓具有穩(wěn)定性。
• 輔助電源：提供5 V輔助電源，測量測試點與標準示波器探頭兼容。
• PCB特性：PCB尺寸為259 mm x 204 mm，有四層35 μm銅層，同樣符合RoHS標準。

3.2 功能組

評估板的功能組分布在頂部和底部，具體如下：

1. 交流輸入部分：包括帶保險絲的交流輸入連接器、用于過壓保護的壓敏電阻、EMI濾波器。
2. 整流及預(yù)充電部分：整流器帶有預(yù)充電繼電器和預(yù)充電NTC電阻，直流母線包含電容器、平衡電阻和直流母線連接器。
3. 功率模塊部分：功率模塊FS45MR12W1M1_B11帶有相電流分流器，以及高低側(cè)MOSFET驅(qū)動器。
4. 控制及測量部分：包括用于控制器的連接器、隔離的MOSFET驅(qū)動器電源、直流母線電壓測量電路、過流檢測和測量分流器等。
5. 散熱部分：整流器和功率模塊安裝在散熱器上，散熱器配備風(fēng)扇。

3.3 引腳分配

評估板的各個連接器引腳分配明確，以下是一些主要連接器的引腳詳情：

• AC輸入連接器X1：包含三相線和地線。
• 電機側(cè)連接器X2：用于連接電機，包括地線和三相連接。
• 驅(qū)動板連接器X10：是與控制板的接口，包含電流、電壓、溫度等信號輸出，以及使能和故障信號。
• 風(fēng)扇連接器X4：為兩個12 V風(fēng)扇提供電源，最大輸出電流限制為180 mA。
• 直流母線連接器X6：連接直流母線電容器的正負極和中點。
• 數(shù)字測量連接器X7：提供三相電流和直流母線電壓的ΔΣ調(diào)制輸出及時鐘信號。

3.4 模擬測量調(diào)整

為了實現(xiàn)輸出電流的精確測量和對稱過流檢測，需要調(diào)整模擬信號的偏移電壓。通過調(diào)整R554，可使軟件讀取的電流為零或電流測試點的電壓接近2.5 V。由于組件公差，無法同時將三個電流精確調(diào)整為零。而直流母線電壓測量偏差較小，無需進行偏移補償。

四、原理圖和布局

4.1 概述

評估板的原理圖可分為輸入電路、輔助電源、功率級和測量四個子類別。外部控制板通過X10驅(qū)動板連接器與評估板連接，邏輯地通過電阻R12至R14接地。

4.2 輸入電路

輸入電路配備兩個NTC電阻，用于限制浪涌電流。啟動輔助電源并經(jīng)過一定延遲時間后，電阻被旁路。直流母線由四個電解電容器、一個薄膜電容器和四個陶瓷電容器組成，電解電容器串聯(lián)并通過兩個電阻進行平衡。

4.3 EMI濾波器

評估板配備了EMI濾波器電路，但未經(jīng)過公共電網(wǎng)連接認證，需要使用實驗室電源、隔離變壓器或其他隔離設(shè)備。該濾波器旨在減少高頻發(fā)射，但對電網(wǎng)電流的低次諧波抑制效果不佳，如需滿足諧波標準，需使用額外的市電線路扼流圈。

4.4 輔助電源

所有電源電壓由一個反激式轉(zhuǎn)換器從直流母線生成，該轉(zhuǎn)換器在477 Vdc的母線電壓（約340 Vac輸入電壓）下開始工作。它使用英飛凌的ICE5QSAG控制IC，電源電壓通過基本絕緣與直流母線電位隔離。反激式轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生三個電壓：初級側(cè)的17.6 V非調(diào)節(jié)電源用于控制IC，次級側(cè)產(chǎn)生15 V調(diào)節(jié)電源和間接調(diào)節(jié)的 +6 V電源。15 V電源主要用于MOSFET驅(qū)動電路，通過線性調(diào)節(jié)器從中導(dǎo)出 -5 V電源用于模擬電路的負電源，正模擬電源直接連接到 +6 V電源，該電壓軌還用于為控制器和過流閾值生成 +5 V電源。如果使用低于反激式轉(zhuǎn)換器啟動閾值的低直流母線電壓，可以通過測試點TP651、TP656和TP661使用外部電源供電。

4.5 功率級

功率級的三相腿連接到一個薄膜電容器和四個陶瓷電容器，其中兩個陶瓷電容器直接連接到功率模塊前的電流測量分流器。薄膜電容器有兩種可選封裝，高頻電容器盡可能靠近功率模塊放置，以減少開關(guān)時的過電壓。電流測量分流器用于檢測輸出短路，過流保護電路監(jiān)測分流器電壓，在過流情況下禁用所有開關(guān)。每個相的輸出電流通過分流電阻測量，分流電壓由隔離的ΔΣ - DAC測量，其電源來自頂部驅(qū)動器電源電路的額外電壓級別。直流母線電壓通過分壓器和相同的隔離ΔΣ - DAC測量，該DAC由低側(cè)驅(qū)動器電源的額外驅(qū)動電壓供電。功率模塊的NTC用于生成與溫度相關(guān)的測量電壓 (V_{th })。

4.6 驅(qū)動電路

每個MOSFET由英飛凌的MOSFET EiceDRIVER 1EDI20H12AH驅(qū)動，輸出無需特殊電路。正輸入通過額外的毛刺濾波器和下拉電阻保護，所有負輸入連接在一起用于全局 /ENABLE信號。整流電路為每個驅(qū)動器生成三個電壓級別：用于安全關(guān)閉功率MOSFET的調(diào)節(jié)負電壓、用于開啟功率MOSFET的 +15 V電壓，以及用于額外電流和電壓測量的 +5 V電壓。調(diào)節(jié)負電壓可通過在X8針頭上放置跳線進行八級調(diào)整，調(diào)整時需注意負載條件可能導(dǎo)致功率開關(guān)意外開啟，且在開關(guān)條件下不得更改跳線。

4.7 熱敏電阻輸出

功率模塊的溫度通過模塊集成的NTC電阻測量，NTC電阻通過10 kΩ串聯(lián)電阻連接到5 V，產(chǎn)生的NTC電壓通過增益為2的放大器饋送到控制板。如有需要，可通過更換電阻R617、R620、R621和R623改變信號電平。

4.8 電流測量

三相電流通過分流電阻測量，每個分流電壓由隔離的ΔΣ - 調(diào)制器測量，調(diào)制器產(chǎn)生20 MHz時鐘頻率的ΔΣ - 調(diào)制比特流輸出，該調(diào)制器由整流電路的 +5 V輸出供電。

4.9 電壓測量

直流母線電壓通過分壓器和隔離的ΔΣ - 調(diào)制器測量，原理與電流測量類似。

4.10 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

評估板包含四個離散數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字ΔΣ - 調(diào)制比特流轉(zhuǎn)換為模擬信號，用于板上保護和外部控制器。轉(zhuǎn)換通過帶寬約為6.5 kHz的二階低通濾波器完成。在零輸入時，ΔΣ - 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生占空比為50%的比特流，可通過R5564電位器調(diào)整低通濾波器的參考電壓，實現(xiàn)三個電流的偏移調(diào)整。四個ΔΣ - 調(diào)制比特流可直接在X7針頭上測量。

4.11 過流 / 短路保護

監(jiān)測功率模塊直流路徑中3 mΩ分流器電壓的電路使用具有過流保護功能的低側(cè)驅(qū)動器，英飛凌的1ED44176N01F具有0.5 V過流觸發(fā)閾值，對應(yīng)標稱電流閾值為167 A。在IC的OCP引腳處放置低通濾波器，其時間常數(shù)為484 ns，用于阻擋由于測量分流器及其連接的寄生電感在快速電流上升時產(chǎn)生的高壓尖峰。檢測到過流時，驅(qū)動器的EN/FAULT引腳被拉低，連接的光耦合器LED點亮，光耦合器的隔離側(cè)變低，/FAULT信號被拉低，所有MOSFET驅(qū)動器關(guān)閉，從過流到MOSFET柵極變低的總時間延遲約為1 μs。該電路由低側(cè)柵極驅(qū)動器電源供電，該電源參考低側(cè)MOSFET源極（在分流器前），通過二極管（D61）解耦并用電容器（C64）緩沖，過流情況下會有大約1 V的電壓降，但仍足以供電。

4.12 PCB布局

評估板的PCB布局專為評估目的設(shè)計，有多個測試點，不一定適合滿負載連續(xù)運行。PCB有四層35 μm銅層，尺寸為204 mm x 259 mm，厚度為1.6 mm。如需了解更多布局設(shè)計和最新Gerber文件信息，可聯(lián)系技術(shù)支持團隊。

五、物料清單

文檔中詳細列出了評估板的物料清單，包括螺絲、二極管、IC、電阻、電容、電感、變壓器、保險絲、繼電器、連接器、風(fēng)扇、散熱器等各種組件的數(shù)量、描述、標識、型號和制造商。

六、測量

6.1 熱測量

在上述負載條件下對評估板供電一小時以上后，進行了熱成像測量。在18 kHz開關(guān)頻率下，測量到模塊溫度 (T_{Modul } ≈92^{circ} C) 。為評估100 kHz開關(guān)頻率下的熱行為，將電流降低，直到模塊溫度再次達到約92°C，此時輸出電流為8 ARMS。

6.2 EMI測量

根據(jù)DIN EN 55011標準，通過32 A – LISN連接到電網(wǎng)對評估板的傳導(dǎo)EMI發(fā)射進行了測量。測量結(jié)果顯示，發(fā)射幾乎達到了工業(yè)使用（DIN EN 55011，A類，1組，≤20 kVA）的閾值限制。使用小型外部共模扼流圈（如Vacuumschmelze W 424 - 53帶三匝的扼流圈）可將發(fā)射抑制到限制以下。

七、總結(jié)

Eval - M5 - E1B1245N - SiC評估板為工程師提供了一個全面的平臺，用于評估CoolSiC? MOSFET在電機驅(qū)動應(yīng)用中的性能。其豐富的功能和保護機制，以及詳細的測量數(shù)據(jù)，有助于工程師更好地了解和應(yīng)用該技術(shù)。在使用過程中，務(wù)必嚴格遵守安全注意事項，以確保人身和設(shè)備安全。大家在實際應(yīng)用中是否遇到過類似評估板的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。