EVAL-M1-IR2214評估板：助力電機(jī)控制設(shè)計

一、引言

在電機(jī)控制和高功率電子轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，合適的評估板對于技術(shù)人員驗證和開發(fā)新設(shè)計至關(guān)重要。EVAL - M1 - IR2214評估板專為評估1200 V結(jié)隔離柵極驅(qū)動器IR2214SS而設(shè)計，搭配1200 V/50 A EconoPIM?3模塊FP50R12KT4G，為工程師提供了一個強(qiáng)大的測試平臺。本文將詳細(xì)介紹該評估板的特點、功能、設(shè)計以及性能測試結(jié)果。

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二、評估板概述

2.1 適用人群與用途

這份用戶指南主要面向熟悉電機(jī)控制和高功率電子轉(zhuǎn)換器的技術(shù)專家。評估板主要用于實驗室環(huán)境下的設(shè)計導(dǎo)入、特性評估和測量，以及驗證數(shù)據(jù)手冊規(guī)格。需要注意的是，PCB和輔助電路并未針對最終客戶設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 訂購信息

三、重要注意事項與安全預(yù)防措施

3.1 重要注意事項

評估板僅用于演示和評估目的，并非商業(yè)化產(chǎn)品，不能用于可靠性測試或生產(chǎn)。其設(shè)計未考慮全工作溫度范圍和壽命的安全要求、制造和操作，也可能不符合CE等標(biāo)準(zhǔn)。用戶需確保評估板的使用符合所在國家的相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)，同時要對評估板的適用性和文檔信息的完整性、正確性進(jìn)行評估，并承擔(dān)使用過程中的責(zé)任。

3.2 安全預(yù)防措施

• 高壓風(fēng)險：評估板的直流母線電位高達(dá)800 VDC，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。
• 電容放電：評估板中的直流母線電容在移除主電源后需要時間放電，工作前需等待五分鐘，直到電容放電至安全電壓水平，切勿僅通過顯示LED判斷電容是否放電。
• 操作規(guī)范：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)動器的電源，并等待五分鐘讓母線電容放電至零。
• 熱防護(hù)：測試過程中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。
• 人員要求：只有熟悉驅(qū)動器、電力電子和相關(guān)機(jī)械的人員才能進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃、安裝、調(diào)試和維護(hù)。
• 靜電防護(hù)：評估板包含對靜電放電敏感的部件和組件，安裝、測試、維修時需采取靜電控制措施。
• 應(yīng)用注意：錯誤的應(yīng)用或安裝可能導(dǎo)致組件損壞或產(chǎn)品壽命縮短，如電機(jī)選型過小、交流電源供應(yīng)不正確或環(huán)境溫度過高等。
• 包裝處理：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。

四、評估板一瞥

4.1 交付內(nèi)容

完整的EVAL - M1 - IR2214評估板包含用于輔助電源的子板。

4.2 框圖

評估板的典型應(yīng)用框圖展示了其驅(qū)動無刷直流（BLDC）電機(jī)的功能。所有功率電路都集成在評估板中，整流器、制動和逆變器組合在功率集成模塊（PIM）FP50R12KT4G中，子板為柵極驅(qū)動器和控制板提供電源。系統(tǒng)采用單分流配置，這在當(dāng)前BLDC電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中很常見。

4.3 主要特點

• 電源輸入與保護(hù)：具備380 VAC三相輸入，板上帶有保險絲提供基本電氣保護(hù)，還包含浪涌電流限制電路，確保上電安全。
• 緊湊設(shè)計：采用EconoPIM?3 FP50R12KT4G，將整流器、制動和逆變器集成在一個封裝中，實現(xiàn)緊湊設(shè)計。
• 優(yōu)化性能：搭配IR2214SS，具有去飽和保護(hù)、軟過流關(guān)斷、兩級導(dǎo)通輸出、獨立的灌/拉輸出等增強(qiáng)功能，優(yōu)化系統(tǒng)性能。
• 輔助電源：板上提供+15 V和+5 V輔助電源。
• 接口兼容：M1接口與iMOTION?控制板兼容。

4.4 板參數(shù)和技術(shù)數(shù)據(jù)

五、系統(tǒng)和功能描述

5.1 調(diào)試

5.1.1 運行BLDC電機(jī)

通過M1接口連接iMOTION?2.0控制板EVAL - M1 - 101T，EVAL - M1 - IR2214功率板可以驅(qū)動BLDC電機(jī)。需注意使用適當(dāng)?shù)睦鋮s方法防止PIM過熱，因為交付范圍不包含冷卻裝置。

5.1.2 雙脈沖測試

雙脈沖測試用于檢查柵極驅(qū)動器IR2214SS在極端工作條件下的魯棒性，需檢查負(fù)(V_{s})和VSS瞬態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)是否在規(guī)格范圍內(nèi)。測試在W相進(jìn)行，因為其接地回路最大。測試時需注意直流源的連接極性，若直流源無浪涌電流限制，母線電壓應(yīng)逐漸上升。

5.2 功能塊描述

5.2.1 浪涌電流限制

為保護(hù)輸入保險絲、整流器和母線電容免受上電時的大浪涌電流影響，采用浪涌電流限制電路。上電開始時，繼電器斷開，母線電容通過R56和R57充電；+15 V電源建立后（約100 mS），繼電器閉合接管充電電流。R1、R2和R40用于將+15 V調(diào)節(jié)至+12 V，供繼電器工作。

5.2.2 DC - link電壓測量

母線電容需足夠大以穩(wěn)定母線電壓，電阻R37、R43、R51和R54用于平衡串聯(lián)電解電容上的電壓。需注意EVAL - M1 - IR2214主板上的電阻R55未焊接，EVAL - M1 - 101T控制板上有一個13.3 kΩ下拉電阻。

5.2.3 EconoPIM?3 FP50R12KT4G

該模塊將三相整流器、制動、逆變器和NTC功能塊集成在一個封裝中。

5.2.4 帶IR2214SS的驅(qū)動電路

使用三個半橋柵極驅(qū)動器IR2214SS進(jìn)行逆變器驅(qū)動。去飽和保護(hù)是IR2214SS的關(guān)鍵特性，為防止IC損壞，需將去飽和檢測引腳DSH/DSL分別鉗位到電源VB/+15 VCC和地參考VS/COM。為抑制IGBT開關(guān)引起的VSS和COM之間的電壓尖峰，在COM和低側(cè)IGBT發(fā)射極N1之間添加小電阻R6，同時需要電阻R5平衡高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動回路的柵極電阻。三個IR2214SS IC的FLT_CLR、SY_FLT、FAULT/SD引腳分別連接在一起，任何一個IR2214SS報告故障都會關(guān)閉另外兩個，MCU也可同步控制三個柵極驅(qū)動器。若去飽和保護(hù)觸發(fā)，IR2214SS的FAULT/SD（引腳5）將被拉低，驅(qū)動輸出禁用，需在FLT_CLR（引腳3）提供一個高電平脈沖清除故障并釋放IC。在EVAL - M1 - IR2214板上，用戶需按下按鈕S1重新啟用IC。

5.2.5 電流反饋

電流反饋電路使用四個10 mΩ/5 W SMD電阻并聯(lián)，分流電阻值為2.5 mΩ。電流增益計算公式為： [begin{gathered} I U+=frac{R 110}{R 110+R 109} 5 V+frac{R 96}{R 100+R 101+R 102} frac{R 104}{R 104+R 100+R 106} 2.5 mph m current =2.143+39.6 mV / A end{gathered}] 若將此結(jié)果輸入MCEWizard，需移除EVAL - M1 - 101T板上的電阻R6。

5.2.6 NTC - 熱敏電阻配置

FP50R12KT4G內(nèi)部集成了負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻。NTC熱敏電阻在25℃時電阻為5 kΩ，100℃時為493 Ω。EVAL - M1 - 101T控制板上已有一個4.87 kΩ上拉電阻，根據(jù)NTC - 熱敏電阻配置，25℃時傳感電壓VTH為4.14 V，100℃時為1.84 V。在MCEWizard中，NTC - 熱敏電阻過溫電壓閾值設(shè)置為1.84 V，以保護(hù)PIM免受超過100℃的溫度影響。

5.2.7 輔助電源

輔助電源電路位于子板中，采用準(zhǔn)諧振反激控制器ICE5QSAG和CoolSiC?1700 V SiC MOSFET IMBF170R1K0M1。子板中初級地、次級+15 V和+5 V參考地分開，但在主板上連接為同一網(wǎng)絡(luò)。控制板電源設(shè)計為+5 V，以提高高功率操作中的信噪比。

5.3 iMOTION?開發(fā)工具和軟件

EVAL - M1 - IR2214可通過連接外部控制板EVAL - M1 - 101T驅(qū)動BLDC電機(jī)，用戶需根據(jù)系統(tǒng)和BLDC電機(jī)參數(shù)正確配置iMOTION?開發(fā)工具和軟件。MCEDesigner和MCEWizard及支持文件可從英飛凌iMOTION?網(wǎng)站下載。

5.3.1 MCEWizard設(shè)置

用戶需在MCEWizard中輸入正確參數(shù)以運行BLDC電機(jī)，脈沖寬度調(diào)制（PWM）頻率設(shè)置為8 kHz，常用于驅(qū)動商用空調(diào)（CAC）壓縮機(jī)。需注意若使用2.2.5節(jié)計算的電流傳感數(shù)據(jù)，需移除EVAL - M1 - 101T上的電阻R6。

5.3.2 MCEDesigner設(shè)置

MCEDesigner是用于訪問或調(diào)試控制板的用戶界面。

六、系統(tǒng)設(shè)計

6.1 原理圖

EVAL - M1 - IR2214的原理圖包括功率電路和輔助電源電路。

6.2 布局

6.2.1 布局細(xì)節(jié)

評估板的詳細(xì)布局包括功率電路和輔助電源電路的頂層和底層視圖。

6.2.2 布局指南

• (VCC)和(V_{BS})旁路電容應(yīng)靠近IC。
• 驅(qū)動回路應(yīng)盡可能小。
• 通過在分流電阻端子直接連接VSS和COM，使VSS和COM的回路盡可能小。
• 兩個電流傳感走線應(yīng)從分流端子開始并彼此靠近放置。
• 對于540 VDC母線電壓，間隙和爬電距離應(yīng)足夠，本布局中爬電距離設(shè)置為5.3 mm，符合IR2214SS要求。

6.3 物料清單

完整的物料清單可在英飛凌主頁的下載部分獲取，下載需登錄。重要組件包括1200 V半橋柵極驅(qū)動器IR2214SS、1200 V/50 A EconoPIM?3模塊FP50R12KT4G等。

6.4 連接器細(xì)節(jié)

七、系統(tǒng)性能

7.1 運行BLDC電機(jī)的測試結(jié)果

測試條件為輸入380 Vac，相輸出電流20 Arms，室溫，BLDC電機(jī)為GK6081 - 6AC31 - FE，(I{0}=20 ~A)，(U{i}=135 ~V)，轉(zhuǎn)速1200 r/min，扭矩40 Nm，PIM采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器。上電后，IR2214SS的引腳5（FAULT/SD）初始為低電平，需按下按鈕S1一秒后釋放以清除故障狀態(tài)并重新啟用IR2214SS。運行BLDC電機(jī)時的波形顯示柵極驅(qū)動信號無交叉導(dǎo)通，低側(cè)去飽和檢測引腳‘DSL’到‘COM’（VDSL - COM）有下沖，但仍在數(shù)據(jù)手冊的 - 3 V限制范圍內(nèi)。通過短接W相高側(cè)IGBT驗證短路保護(hù)，檢測到去飽和后，柵極信號(VGE_LS)在不到3 μS內(nèi)開始關(guān)斷，由于驅(qū)動器的軟過流關(guān)斷功能，關(guān)斷過程非常柔和，可防止晶體管因過電壓損壞，SY_FLT也被拉低報告去飽和故障。

7.2 雙脈沖測試結(jié)果

測試條件為母線電壓600 Vdc，開關(guān)電流50 A，電感200 μH。測試結(jié)果顯示負(fù)(V{s})和VSS瞬態(tài)相對于COM仍在IR2214SS安全操作區(qū)域內(nèi)。測試最壞負(fù)(V{s})和VSS瞬態(tài)時，電感連接在W相中點（連接器‘W’）和板上的地PGND（測試點‘PGND’）之間，雙脈沖輸入到HIN，需外部添加隔離電源+15 V為(V_{BS})供電。

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