REF_Fridge_D111T_MOS冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)套件使用指南

一、引言

在冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，擁有高效、可靠的參考設(shè)計(jì)至關(guān)重要。REF_Fridge_D111T_MOS參考設(shè)計(jì)套件就是這樣一款為冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用量身打造的解決方案。本文將詳細(xì)介紹該套件的各個(gè)方面，包括其特點(diǎn)、功能、使用方法以及性能測(cè)試等內(nèi)容，希望能為電子工程師們?cè)诒鋲嚎s機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上提供有價(jià)值的參考。

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二、關(guān)于文檔

2.1 范圍和目的

本用戶指南主要介紹REF_Fridge_D111T_MOS參考設(shè)計(jì)板，涵蓋其主要特性、關(guān)鍵數(shù)據(jù)、引腳分配、機(jī)械尺寸等，同時(shí)提供如何使用該板進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行和設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。該板是針對(duì)冰箱壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的完整參考設(shè)計(jì)，展示了英飛凌的整體解決方案，包括數(shù)字電機(jī)控制IC iMOTION? Smart Driver IMD111T - 6F040和600 V CoolMOS? PFD7超結(jié)MOSFET。

2.2 目標(biāo)受眾

本指南適用于使用REF_Fridge_D111T_MOS板進(jìn)行冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的技術(shù)專家。

2.3 參考板/套件說明

參考板是嵌入PCB的產(chǎn)品，專注于特定應(yīng)用和用例，可能包含軟件。PCB和輔助電路針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的要求進(jìn)行了優(yōu)化。但需注意，這些板不一定滿足安全、EMI、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（如UL、CE）要求。

三、重要注意事項(xiàng)

3.1 評(píng)估板和參考板性質(zhì)

評(píng)估板和參考板僅用于演示和評(píng)估目的，并非商業(yè)化產(chǎn)品，不適合用于可靠性測(cè)試或生產(chǎn)。它們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)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)行資格認(rèn)證。英飛凌提供的評(píng)估板和參考板僅在典型負(fù)載條件下進(jìn)行功能測(cè)試，在退貨分析（RMA）、工藝變更通知（PCN）和產(chǎn)品停產(chǎn)（PD）方面與常規(guī)產(chǎn)品的處理程序不同。

3.2 用戶責(zé)任

客戶有責(zé)任評(píng)估評(píng)估板和參考板是否適合預(yù)期應(yīng)用，并確保其使用符合所在國(guó)家的相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)。英飛凌對(duì)使用評(píng)估板和參考板及其提供的信息不承擔(dān)任何責(zé)任，客戶需自行承擔(dān)因使用而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

四、安全預(yù)防措施

4.1 高壓風(fēng)險(xiǎn)

該板的直流母線電位高達(dá)400 VDC，使用示波器測(cè)量電壓波形時(shí)必須使用高壓差分探頭，否則可能導(dǎo)致人身傷害或死亡。此外，評(píng)估或參考板包含直流母線電容器，主電源移除后需要時(shí)間放電，在對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行操作前，需等待五分鐘讓電容器放電至安全電壓水平。

4.2 其他注意事項(xiàng)

評(píng)估或參考板在測(cè)試時(shí)連接到電網(wǎng)輸入，測(cè)量電壓波形時(shí)需使用高壓差分探頭；在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(dòng)器的電源，并等待五分鐘讓母線電容器放電；測(cè)試時(shí)評(píng)估或參考板的散熱器和設(shè)備表面可能變熱，處理時(shí)需采取必要的預(yù)防措施；只有熟悉驅(qū)動(dòng)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)；評(píng)估或參考板包含對(duì)靜電放電（ESD）敏感的部件和組件，安裝、測(cè)試、維護(hù)或修理時(shí)需采取靜電控制預(yù)防措施；驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用或安裝不正確可能導(dǎo)致組件損壞或產(chǎn)品壽命縮短；評(píng)估或參考板發(fā)貨時(shí)帶有包裝材料，安裝前需移除，否則可能導(dǎo)致過熱或異常運(yùn)行條件。

五、參考板概覽

5.1 交付內(nèi)容

交付內(nèi)容僅包含參考板，iMOTION? Link電纜是調(diào)試必需的，但不包含在交付內(nèi)容中，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行訂購(gòu)。

5.2 框圖

參考設(shè)計(jì)套件REF_Fridge_D111T_MOS的框圖展示了其功能組成，包括EMI濾波器和整流器組、直流母線電容器、電機(jī)相連接器、CoolMOS? MOSFET、輔助電源、IMD111T - 6F040、交流線路輸入連接器、iMOTION? Link連接器和頻率輸入信號(hào)連接器等。

5.3 主要特性

REF_Fridge_D111T_MOS是一款完整的冰箱壓縮機(jī)應(yīng)用參考設(shè)計(jì)板，具有以下主要特性：

• iMOTION? Smart Driver IMD111T - 6F040：集成了高壓柵極驅(qū)動(dòng)器和電壓調(diào)節(jié)器，具有5 V低壓差穩(wěn)壓器（LDO），采用薄膜SOI技術(shù)的600 V柵極驅(qū)動(dòng)器，集成超快自舉二極管，采用節(jié)省空間的LQFP 40引腳封裝，具備運(yùn)動(dòng)控制引擎（MCE），支持永磁同步電機(jī)（PMSM）的無傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC）、靈活的空間矢量PWM、電機(jī)電流傳感、可選的模擬或數(shù)字霍爾傳感器接口以及靈活的主機(jī)接口選項(xiàng)等。
• 600 V CoolMOS? PFD7：采用優(yōu)化技術(shù)，具有最低的(Q_{rr})、ESD保護(hù)和緊湊的SOT223表面貼裝器件（SMD）封裝，系統(tǒng)解決方案可實(shí)現(xiàn)最佳輕載效率和緊湊設(shè)計(jì)。

5.4 板參數(shù)和技術(shù)數(shù)據(jù)

六、系統(tǒng)和功能描述

6.1 調(diào)試

6.1.1 硬件連接

使用iMOTION? Link電纜連接PC/調(diào)試器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)連接交流電源和電機(jī)。iMOTION? Link電纜提供1 kV直流電氣隔離。

6.1.2 軟件/固件準(zhǔn)備

需要使用iMOTION?軟件工具M(jìn)CEDesigner和MCEWizard來設(shè)置系統(tǒng)、控制和微調(diào)系統(tǒng)性能。從英飛凌網(wǎng)站下載這些工具，并下載適合的MCE固件。使用MCEWizard輸入目標(biāo)電機(jī)的系統(tǒng)和運(yùn)行參數(shù)以及參考板的硬件參數(shù)，生成參數(shù)文件。若有需要，還可生成腳本。

6.1.3 程序固件/參數(shù)/腳本

REF_Fridge_D111T_MOS參考設(shè)計(jì)套件發(fā)貨時(shí)帶有預(yù)編程的固件和默認(rèn)參數(shù)，但用戶需根據(jù)實(shí)際電機(jī)情況編程自己的參數(shù)?？蛇x擇分別編程MCE固件、系統(tǒng)和電機(jī)的參數(shù)集、客戶腳本文件，也可使用MCEWizard組合的文件進(jìn)行編程。編程過程包括啟動(dòng)MCEDesigner工具、為iMOTION?控制IC供電、連接到板、根據(jù)情況編程固件和參數(shù)等步驟。

6.1.4 開環(huán)診斷

通過雙擊“VF Diagnostic”功能并使用示波器監(jiān)測(cè)電機(jī)電流，調(diào)整相關(guān)寄存器使電機(jī)電流呈現(xiàn)穩(wěn)定的正弦波。還可通過監(jiān)測(cè)電機(jī)電流反饋來驗(yàn)證電機(jī)連接、IGBT（或MOSFET）和柵極驅(qū)動(dòng)器工作情況、電流傳感相關(guān)參數(shù)配置以及PCB布局和直流母線去耦情況。診斷完成后，停止電機(jī)運(yùn)行。

6.1.5 閉環(huán)運(yùn)行

若開環(huán)診斷正常，可嘗試閉環(huán)運(yùn)行電機(jī)。啟動(dòng)電機(jī)后，檢查電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向并進(jìn)行調(diào)整。設(shè)置目標(biāo)速度為最大速度的約50%，監(jiān)測(cè)“(Iu) & (Flx_M)”軌跡，根據(jù)(Flx_M)的情況調(diào)整電機(jī)參數(shù)、速度環(huán)PI增益、磁通估計(jì)器時(shí)間常數(shù)和PLL PI帶寬等。若需要重新編程新的參數(shù)文件，可選擇“Program Parameters”選項(xiàng)。

6.2 功能塊描述

6.2.1 逆變器階段

逆變器部分采用600 V CoolMOS? PFD7超結(jié)MOSFET，具有集成快速體二極管，確保設(shè)備的穩(wěn)健性并減少客戶的BOM。

6.2.2 DC總線傳感和MCEWizard配置

DC總線傳感電阻的高側(cè)電阻為2 MΩ，低側(cè)電阻為20 kΩ，默認(rèn)DC總線傳感電壓在ADC輸入上的范圍為0到5 V，反映0到505 V的范圍。需要在MCEWizard中配置硬件參數(shù)，可通過調(diào)整電容來優(yōu)化(V_{dc})傳感。

6.2.3 電流傳感和過流保護(hù)

• 電流傳感：該板的電流傳感僅使用RC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作偏置和低通濾波，以降低成本。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得到電流傳感的相關(guān)方程。在選擇分流電阻和增益時(shí)需綜合考慮功率損耗和ADC輸入電壓范圍等因素。同時(shí)，由于沒有外部運(yùn)算放大器，需要仔細(xì)處理PCB的GND網(wǎng)絡(luò)，以避免影響控制性能和增加可聽噪聲。
• 過流保護(hù)：IMD111T - 6F040可通過內(nèi)部比較器檢測(cè)過流情況，內(nèi)部比較器的參考電平由內(nèi)部DAC設(shè)置，可在MCEWizard中進(jìn)行配置。

6.2.4 NTC傳感和熱保護(hù)

IMD111T - 6F040的35引腳用于NTC溫度采樣，板上連接有NTC。根據(jù)NTC的參數(shù)和典型值，可得到不同溫度下的電壓值。IMD111T內(nèi)部集成了過溫保護(hù)裝置，可在MCEWizard中設(shè)置適當(dāng)?shù)挠|發(fā)水平。

6.2.5 頻率信號(hào)接口

該板設(shè)計(jì)有頻率信號(hào)接口，用于控制壓縮機(jī)速度。有兩種輸入接口類型：方波接口（默認(rèn)）和AC 220 V作為控制輸入。典型的冰箱應(yīng)用方波輸入信號(hào)頻率與電機(jī)速度的關(guān)系為：(f_n < 30)時(shí)電機(jī)停止；(30 ≤ f_n < 40)時(shí)為最小速度；(40 ≤ f_n < 150)時(shí)，電機(jī)速度為(30 * f_n)；(150 ≤ f_n < 200)時(shí)為最大速度；(f_n ≥ 200)時(shí)電機(jī)停止。

七、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.1 原理圖

主要功能塊在前面已有介紹，感興趣的客戶可登錄英飛凌網(wǎng)頁下載設(shè)計(jì)文件以獲取更多詳細(xì)信息。

7.2 布局

該板采用兩層設(shè)計(jì)，尺寸為78 mm × 78 mm，銅厚為1 oz.（35 μm）。設(shè)計(jì)使用Altium Designer完成，所有設(shè)計(jì)文件可在登錄英飛凌網(wǎng)頁后下載。設(shè)計(jì)時(shí)需注意熱性能和接地布局，最大化集電極的銅面積可有效降低IGBT結(jié)溫，由于電流采樣是非差分且無運(yùn)算放大器的，需仔細(xì)布局接地面積，確保數(shù)字地參考分流接地以保證采樣噪聲正確。

7.3 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，需要登錄才能下載。

7.4 連接器詳情

詳細(xì)介紹了各個(gè)連接器的引腳功能，包括AC線路連接器（J1）、頻率輸入信號(hào)連接器（J2）、電機(jī)側(cè)連接器（J3）、接地連接器（J4）和iMOTION? link連接器（J6）。

八、系統(tǒng)性能

8.1 熱特性測(cè)試

基于兩層FR4 PCB和1 oz.銅進(jìn)行熱特性測(cè)試，測(cè)試在(t{amb}=25^{circ}C)、(V{ac}=220 ~V)的條件下進(jìn)行，記錄不同輸入功率下的輸入電流，直到MOSFET外殼溫度達(dá)到100°C，測(cè)試有5 kHz和16 kHz兩種PWM頻率，且僅采用三相調(diào)制模式。

8.2 MOSFET dV/dt測(cè)試

通過示波器測(cè)量MOSFET的開通和關(guān)斷波形，計(jì)算dV/dt。當(dāng)?shù)蛡?cè)MOSFET開通時(shí)，(V{ds} dV / dt = 8.7 ~V/ns)；關(guān)斷時(shí)，(dV/dt = 8.3 ~V / ns)。用戶可根據(jù)需要調(diào)整(R{g})值來控制MOSFET的dV/dt。

九、參考和附錄

9.1 縮寫和定義

介紹了一些常見縮寫的含義，如CE（Conformité Européenne）、EMI（Electromagnetic interference）、UL（Underwriters Laboratories）。

9.2 參考文獻(xiàn)

列出了相關(guān)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)和用戶指南的參考信息，方便用戶進(jìn)一步查閱。

9.3 附加信息

建議客戶訂購(gòu)iMOTION? Link以啟動(dòng)測(cè)試，并提供了相關(guān)工具和英飛凌組件的訂購(gòu)信息。

十、總結(jié)

REF_Fridge_D111T_MOS參考設(shè)計(jì)套件為冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)全面且實(shí)用的解決方案。它集成了英飛凌的先進(jìn)技術(shù)，具有豐富的功能和良好的性能。電子工程師們?cè)谑褂迷撎准r(shí)，需要嚴(yán)格遵循安全預(yù)防措施，按照調(diào)試步驟進(jìn)行操作，同時(shí)注意系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，以確保設(shè)計(jì)出高效、可靠的冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。