REF_Fridge_D111T_RC2_SL冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)套件詳解

在冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Infineon的REF_Fridge_D111T_RC2_SL參考設(shè)計(jì)套件為工程師們提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。本文將深入剖析該套件，為電子工程師們?cè)诒鋲嚎s機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方面提供有價(jià)值的參考。

文件下載：REFFRIDGED111TRC2SLTOBO1.pdf

套件概述

REF_Fridge_D111T_RC2_SL是iMOTION?電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)套件的一部分，專(zhuān)為冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它結(jié)合了英飛凌的全套產(chǎn)品，如最新的RC - D2 IGBT和電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器iMOTION? IMD111T - F040，能夠輕松轉(zhuǎn)化為冰箱壓縮機(jī)的量產(chǎn)板，加速開(kāi)發(fā)階段，實(shí)現(xiàn)快速上市。

需要注意的是，該套件雖在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了環(huán)境條件，但未在安全要求、全工作溫度范圍或使用壽命內(nèi)的制造和運(yùn)行方面進(jìn)行資格認(rèn)證，僅進(jìn)行了功能測(cè)試，且與常規(guī)產(chǎn)品在退貨分析（RMA）、工藝變更通知（PCN）和產(chǎn)品停產(chǎn)（PD）等程序上有所不同，僅適用于實(shí)驗(yàn)室條件下的專(zhuān)業(yè)人員使用。

套件內(nèi)容與特性

交付內(nèi)容

交付內(nèi)容僅包含電路板，具體訂購(gòu)信息如下表所示：	Base part number	Package	Standard pack	Orderable part number
Form	Quantity
REF_Fridge_D111T_RC2_SL	Boxed	1	REFFRIDGED111TRC2SLTOBO1

此外，用于調(diào)試板載固件的iMOTION? Link不在交付范圍內(nèi)，可根據(jù)文檔第5.3節(jié)的詳細(xì)信息單獨(dú)訂購(gòu)。

主要特性

iMOTION? Driver IMD111T - 6F040：這是一款現(xiàn)成的運(yùn)動(dòng)控制器，配備腳本引擎和6通道絕緣體上硅（SOI）驅(qū)動(dòng)器。具有運(yùn)動(dòng)控制引擎（MCE 2.0），支持單或雙分流電流測(cè)量、電機(jī)控制算法（無(wú)傳感器/基于霍爾的FOC）以及可選的升壓和圖騰柱PFC控制。同時(shí)具備保護(hù)功能，如死區(qū)時(shí)間插入和直通防止、過(guò)流/過(guò)壓/欠壓鎖定等。采用600 V阻斷電壓的高壓三相柵極驅(qū)動(dòng)器，柵極驅(qū)動(dòng)器供電電壓為15 V，封裝為L(zhǎng)QFP - 40。
RCD2 - 600 V IGBT：具有最低的EMI和損耗，是RC - DF IGBT的繼任者。二極管單片集成，適用于消費(fèi)級(jí)驅(qū)動(dòng)器。優(yōu)化了二極管的電流額定值，在價(jià)格和性能方面更具競(jìng)爭(zhēng)力。引入了SOT - 223封裝，尺寸更小，價(jià)格更優(yōu)，且與DPAK封裝引腳兼容可替換。與RC - DF相比，具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力、足夠的di/dt可控性以減少電磁噪聲、改進(jìn)的濕度魯棒性（通過(guò)HV - H3TRB測(cè)試）以及4 A至15 A電流等級(jí)的廣泛產(chǎn)品組合。

電路板參數(shù)與技術(shù)數(shù)據(jù)

Parameter	Symbol	Conditions / comments	Value	Unit
Operation input voltage	V ac	Lower AC input, less motor power output	165 ~ 270	V rms
Maximum input current	I ac(max)	Input 220 V AC, T a = 25 ?C	1.8	A rms
Maximum input power	P in(max)	Input 220 V AC, f PWM = 5 kHz, T a = 25°C, T case = 100°C without heat sink	250	W
Maximum motor current	I mtr(max)	Input 220 V AC, f PWM = 5 kHz, T a = 25°C, T case = 100°C without heat sink	1.2	A rms
Maximum DC bus voltage	V dc(max)		400	V
Shunt resistance	R sh		250	mΩ
Current protection trigger level	I trip	Set in the MCEWizard	-	A peak
Thermal protection level	T protection	Recommended is a setting of maximum 105°C for the case temperature of IGBT, considering the gap, set 100°C in the MCEWizard	105	°C
Output voltage (Auxiliary power supply 1 – 15 V)	V out1	Used for IMD111T - 6F040, integrate 5 V LDO in the IMD111T - 6F040	15 ± 5%	V
Maximum output current (Auxiliary power supply 1 – 15 V)	I out1		100	mA
Dimension (PCB characteristics)		Length × width × height	115 × 105 × 40	mm
Material (PCB characteristics)		1.6 mm thickness, 1 oz. copper	FR4
Ambient temperature (System environment)	T a	Non - condensing, maximum RH of 95%	0 ~ 50	°C

系統(tǒng)調(diào)試與功能描述

調(diào)試步驟

硬件連接

需使用iMOTION? Link電纜，以1 kV直流隔離橋接PC/調(diào)試器端和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（目標(biāo)iMOTION?設(shè)備，熱端）。具體步驟為：將iMOTION? Link的8針電纜按默認(rèn)引腳順序連接到X7，再用USB線連接PC和iMOTION? Link；然后連接交流電源（X1）和電機(jī)（X2）。

軟件/固件準(zhǔn)備

需使用iMOTION?軟件工具M(jìn)CEDesigner和MCEWizard來(lái)設(shè)置系統(tǒng)、控制和微調(diào)系統(tǒng)性能，可從英飛凌網(wǎng)站（http://www.infineon.com/imotion - software）下載，并定期檢查工具/軟件更新。
從網(wǎng)站下載MCE固件，根據(jù)需求選擇合適版本，包中包含固件（‘.ldf’）、默認(rèn)參數(shù)（‘.txt’）、默認(rèn)映射文件（‘.map’）、MCEDesigner文件（‘.irc’）等文檔。
生成參數(shù)文件：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)，計(jì)算控制器的數(shù)字參數(shù)集，代表完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。設(shè)置完成后，進(jìn)入“Verify & Save Page”，點(diǎn)擊“Calculate”按鈕，若無(wú)誤則點(diǎn)擊“Export to Designer file (.txt)”保存驅(qū)動(dòng)參數(shù)集；若有錯(cuò)誤，雙擊錯(cuò)誤信息（紅色高亮）并調(diào)整相關(guān)參數(shù)。登錄myInfineon后可下載該板的默認(rèn)MCEWizard文件（.mc2），只需修改與電機(jī)相關(guān)的參數(shù)即可。
若有腳本，可生成腳本。首次運(yùn)行板時(shí)，建議先不使用此功能，待電機(jī)性能調(diào)試完成后再添加。

編程固件/參數(shù)/腳本

REF_Fridge_D111T_RC2_SL參考設(shè)計(jì)套件在發(fā)貨前已進(jìn)行功能測(cè)試，預(yù)編程了固件和默認(rèn)參數(shù)，但用戶(hù)需根據(jù)電機(jī)不同進(jìn)行參數(shù)編程。編程步驟如下：

啟動(dòng)MCEDesigner工具，點(diǎn)擊“File” > “Open”打開(kāi)IMD111T設(shè)備的MCEDesigner默認(rèn)配置文件（‘.irc’）。
用3.3 V為iMOTION?控制IC供電，建議使用iMOTION? Link提供的3.3 V隔離電源，iMOTION? Link上有開(kāi)關(guān)可啟用3.3 V輸出。交流電源供電后，板載輔助電源也會(huì)為IC供電，但需注意高壓。
iMOTION?控制IC通電后，MCEDesigner應(yīng)自動(dòng)使用默認(rèn)COM端口連接到板（MCEDesigner GUI底部框架中“COMx Up”狀態(tài)旁的綠色圓圈表示）。若因COM端口錯(cuò)誤無(wú)法連接，可點(diǎn)擊“System Page”窗口，再點(diǎn)擊“Preferences > Connection > Connect using”，從下拉列表中選擇其他可用COM端口。
若IMD111T - 6F040的固件已被擦除，會(huì)彈出警告信息“Target device firmware and parameters file are not programmed! Please program firmware and parameters file”，此時(shí)可按步驟5編程固件和參數(shù)；若不是空白IC，則無(wú)此信息。
點(diǎn)擊系統(tǒng)頁(yè)面，點(diǎn)擊“Tools” > “Programmer”，選擇“Program Firmware and Parameters”，將固件和參數(shù)文件編程到iMOTION?控制IC的內(nèi)部閃存中。加密固件可在“IMD111T MCE Software Package”中找到，參數(shù)文件瀏覽并選擇第2.1.2節(jié)中的’.txt’文件。

開(kāi)環(huán)診斷

雙擊電機(jī)1窗口中的“VF Diagnostic”功能，用示波器監(jiān)測(cè)電機(jī)電流。若電機(jī)電流不是正弦波，更改VF Diagnostic子功能中的寄存器TargetSpeed和Vd_Ext，再雙擊“VF Diagnostic”，直到示波器顯示穩(wěn)定的正弦電流，幅度為電機(jī)額定電流的30% - 50%。雙擊系統(tǒng)頁(yè)面 > 監(jiān)測(cè)定義中的“Iu & Iv_Slow”，電機(jī)電流反饋應(yīng)干凈且呈正弦波；否則，需在MCEWizard中調(diào)整“Gating Propagation Delay & Phase Shift Window Size”?！癡F Diagnostic”子功能可驗(yàn)證電機(jī)連接是否正確、功率級(jí)是否按預(yù)期工作、電流傳感相關(guān)參數(shù)是否正確配置以及PCB布局和直流母線去耦是否正確。完成“VF Diagnostic”后，點(diǎn)擊STOP按鈕（紅色交通燈按鈕）或運(yùn)行“stop motor”功能停止電機(jī)。

閉環(huán)運(yùn)行

若VF診斷正常，硬件電路和信號(hào)采樣將正常工作，此時(shí)可嘗試閉環(huán)運(yùn)行電機(jī)，步驟如下：

點(diǎn)擊控制欄中的綠色交通燈按鈕（或雙擊電機(jī)1窗口中的Start Motor子功能）啟動(dòng)電機(jī)。
檢查電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，若方向錯(cuò)誤，調(diào)整電機(jī)繞組的連接順序或在MCEDesigner中設(shè)置負(fù)的TargetSpeed。
將TargetSpeed設(shè)置為最大速度的約50%，啟動(dòng)“Iu & Flx_M”跟蹤，設(shè)置“Auto Repeat on Level”。Flx_M應(yīng)在2000 - 2500范圍內(nèi)（額定值為2048），且穩(wěn)定呈直流狀。若Flx_M不穩(wěn)定（擺動(dòng)或振蕩），需檢查電機(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（參數(shù)PLLKp和PLLKi）及相關(guān)設(shè)置；若FlxM噪聲大，需檢查電流反饋和(V{dc})相關(guān)的硬件和參數(shù)；若FlxM未接近2048，需在MCEWizard中調(diào)整“Motor Back EMF Constant (((K{e})^{prime prime}) )”。
若僅需編程新的參數(shù)文件，可按第2.1.3節(jié)的說(shuō)明操作，此時(shí)無(wú)需再次編程固件，可選擇“Program Parameters”。

功能模塊描述

逆變器級(jí)

逆變器部分采用DPAK封裝的最新一代RC - D2 IGBT。600 V RC - D2是RC - D/DF IGBT的繼任者，與舊版本相比，具有更好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)、更低的功率損耗和更好的di/dt可控性，能進(jìn)一步降低EMI，且適用于高壓和高濕度操作。

EMI濾波器

EMI濾波器由兩個(gè)X電容（分別為470 nF和330 nF）、一個(gè)4.7 nF的Y電容和一個(gè)共模電感組成，電感參數(shù)如下表所示：	Item	Value	Test condition
Inductance	50 mH	1 kHz, 0.25 V, 25 °C	TH2826 or equivalent
45 mH	10 kHz, 0.25 V, 25 °C
30 mH	100 kHz, 0.25 V, 25 °C

需注意，REF_Fridge_D111T_RC2_SL板未進(jìn)行浪涌測(cè)試，板上的X電容（C10和C15）為X2級(jí)，根據(jù)IEC60384 - 14，其浪涌測(cè)試能力為2.5 kV。若需要更高的浪涌等級(jí)，需將X電容替換為X1級(jí)組件，或在板的輸入側(cè)添加額外的浪涌保護(hù)裝置。

DC母線傳感和MCEWizard配置

DC母線傳感電阻分壓器階段可使微控制器（MCU）的ADC輸入上的默認(rèn)DC母線感應(yīng)電壓范圍為0 V至5 V，反映輸入電壓范圍從0 V至505 V。硬件參數(shù)需在MCEWizard中配置，(V{dc})傳感階段的低通濾波器時(shí)間常數(shù)可按公式計(jì)算： [{cal {time constant}}= ((R10 + R13){big /}(R15)C4 = (2, MOmega | 20, kOmega )4.7, nF = 93.1, mu s] 可調(diào)整電容C17的值以提高(V{dc})噪聲抑制比。

電流傳感和過(guò)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)行偏置和低通濾波，無(wú)需額外的運(yùn)算放大器。通過(guò)基爾霍夫電壓定律可推導(dǎo)出相關(guān)公式，例如板上R1 = R7 = 2 kΩ，R2 = R6 = 22.1 kΩ，(V_{cc}=5 ~V)時(shí)，偏移為0.415 V，增益為229.3 mV/A。需注意，R8和R20也決定電流傳感的ADC偏置，對(duì)于非再生制動(dòng)模式的應(yīng)用，可盡量降低偏置以保留足夠的ADC范圍；由于外部RC電路增益小于1，需內(nèi)部信號(hào)放大來(lái)增加低分流電阻值下的電流信號(hào)，MCE提供1、3、6和12增益選擇，可在MCEWizard中配置；沒(méi)有外部運(yùn)算放大器時(shí)，無(wú)共模噪聲抑制能力，需精心設(shè)計(jì)PCB的GND網(wǎng)絡(luò)。
過(guò)流保護(hù)：IMD111T - 6F040可通過(guò)內(nèi)部比較器檢測(cè)過(guò)流情況，內(nèi)部比較器的參考電平由內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）設(shè)置，可在MCEWizard中通過(guò)“Device overcurrent trigger level setting for comparator”和“Motor1 current input to ADC offset voltage”設(shè)置。DAC輸出引腳REFU需連接電容以提高噪聲抑制能力。

NTC傳感和熱保護(hù)

IMD111T - 6F040的35引腳連接到專(zhuān)門(mén)用于溫度傳感的ADC端口，板上需通過(guò)特定電路將負(fù)溫度系數(shù)電阻（NTC）連接到ADC端口，NTC安裝在電機(jī)相‘V’的低側(cè)IGBT底部。NTC電阻參數(shù)為(B - constant = 4050 ~K pm 1 %)，(R{25}=47 k Omega pm 1 %)，基于熱敏電阻的典型值可得到不同溫度下的(V{th})電壓。IMD111T - 6F040內(nèi)部固件集成了過(guò)溫保護(hù)裝置，用戶(hù)只需在MCEWizard中設(shè)置適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電平。

頻率信號(hào)接口

由于當(dāng)前冰箱應(yīng)用主要使用頻率信號(hào)控制壓縮機(jī)速度，該板設(shè)計(jì)了頻率信號(hào)接口，輸入信號(hào)與板上的控制和功率部分隔離。典型的冰箱應(yīng)用方波輸入控制信號(hào)如下表所示：	Signal frequency fn (Hz)	Motor speed n (RPM)
fn < 30	Stop
30 ≤ fn < 40	Minimum speed
40 ≤ fn < 150	30 * fn
150 ≤ fn < 200	Maximum speed
fn ≥ 200	Stop

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原理圖

主要功能模塊在第2.2節(jié)已介紹，感興趣的用戶(hù)可登錄myInfineon賬戶(hù)在板的網(wǎng)頁(yè)上下載設(shè)計(jì)文件。

布局

電路板為單層設(shè)計(jì)，尺寸為115 mm × 105 mm，銅厚度為1 oz.（35 μm）。設(shè)計(jì)時(shí)需注意熱性能和接地布局，IGBT的集電極端子直接連接到IGBT引線框架，最大化連接到IGBT連接器引腳的銅面積可有效降低IGBT結(jié)溫，使板能輸出更多功率；由于電流采樣非差分且無(wú)額外運(yùn)算放大器，需精心設(shè)計(jì)接地面積，數(shù)字地應(yīng)與分流接地低阻抗連接，以確保正確采樣電流。

物料清單

完整的物料清單可在英飛凌主頁(yè)的下載部分獲取，需登錄myInfineon賬戶(hù)下載。部分重要/關(guān)鍵部件的BOM如下表所示：	S. No.	Ref Designator	Description	Manufacturer
1	U1	Motor controller with integrated high - voltage gate driver	Infineon Technologies	IMD111T - 6F040
2	Q7, Q8, Q9, Q10, Q11, Q12	TRENCHSTOP RC - Series for hard switching applications, VCE 600 V, IC 4 A	Infineon Technologies	IKD04N60RC2
3	C10	CAP / FILM / 470 nF / 275 V / 10% / MKP (Metallized Polypropylene) / - 40°C to 105°C / 12.50 mm C X 0.60 mm W 15.00 mm L X 10.00 mm T X 16.5

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