探索REF - SHA35WRC2SYS：高壓吊扇參考設(shè)計(jì)的卓越之旅

在電子工程師的世界里，不斷追求高性能、高效率的設(shè)計(jì)方案是永恒的主題。今天，我們將深入探討英飛凌的REF - SHA35WRC2SYS參考設(shè)計(jì)，這是一款專為高壓吊扇應(yīng)用打造的全功能套件，它融合了先進(jìn)的技術(shù)和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念，為我們帶來了許多值得研究和借鑒的地方。

文件下載：REFSHA35WRC2SYSTOBO1.pdf

一、設(shè)計(jì)概述

REF - SHA35WRC2SYS是英飛凌TRENCHSTOP? IGBT、柵極驅(qū)動(dòng)器和iMOTION?驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)套件的一部分。它基于先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制引擎（MCE 2.0）技術(shù)，為35W高壓吊扇應(yīng)用提供了優(yōu)化的解決方案。這個(gè)套件允許快速原型設(shè)計(jì)，能幫助我們更快地將產(chǎn)品推向市場。

不過需要注意的是，該設(shè)計(jì)雖然考慮了環(huán)境條件，但在安全要求、整個(gè)工作溫度范圍或壽命的制造和操作方面并未經(jīng)過全面認(rèn)證。而且，它僅經(jīng)過功能測試，與常規(guī)產(chǎn)品在退貨材料分析（RMA）、工藝變更通知（PCN）和產(chǎn)品停產(chǎn)（PD）等程序上有所不同。

二、交付內(nèi)容

套件的交付內(nèi)容包括主電路板REF - SHA35WRC2SYS、子板XMC1100_IR_RC、一根連接電纜和一個(gè)遠(yuǎn)程紅外控制盒。這些組件相互協(xié)作，構(gòu)成了一個(gè)完整的吊扇控制系統(tǒng)。

三、主要特性

1. 核心組件

REF - SHA35WRC2SYS板包含了iMOTION?驅(qū)動(dòng)器IMD112T用于控制器和逆變器驅(qū)動(dòng)，TRENCHSTOP? RC - Series的IKN03N60RC2用于逆變器開關(guān)，650V DuoPack IGBT和二極管IKA08N65H5用于PFC開關(guān)，以及IRS44273L用于PFC柵極驅(qū)動(dòng)。這些組件的組合使得該設(shè)計(jì)在性能和效率方面表現(xiàn)出色。

2. 功能特性

• 紅外遠(yuǎn)程接口：支持通過紅外遙控器控制吊扇速度，為用戶提供了便捷的操作體驗(yàn)。
• 設(shè)置恢復(fù)功能：重新上電后可恢復(fù)上次使用的設(shè)置速度命令，方便用戶使用。
• PFC控制：直流母線跟蹤輸入電壓，功率因數(shù)≥0.9，iTHD ≤10%，在正常輸入電壓230Vrms和最大輸入功率35W的條件下表現(xiàn)優(yōu)秀。
• 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為120 ~ 300Vrms，正常輸入電壓為230Vrms，直流母線電壓可達(dá)450V。
• 過流保護(hù)：具備完善的過流保護(hù)功能，保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
• 輔助電源：提供14V和5V的輔助電源，滿足不同組件的供電需求。
• 環(huán)保設(shè)計(jì)：符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了環(huán)保理念。

四、系統(tǒng)調(diào)試

1. 硬件連接

在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，首先要進(jìn)行硬件連接。需要使用iMOTION?鏈接電纜將PC/調(diào)試器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接起來，同時(shí)連接交流電源和電機(jī)，并將主電路板的J2與子板的J1通過電纜連接。需要注意的是，iMOTION?鏈接不包含在交付內(nèi)容中，需要單獨(dú)訂購。

2. 軟件工具準(zhǔn)備

iMOTION?軟件工具M(jìn)CEDesigner和MCEWizard是設(shè)置和控制該系統(tǒng)的關(guān)鍵。這些工具可從英飛凌網(wǎng)站下載，并且需要定期檢查更新。不過要注意，該參考板是通過MCEdesigner v2.3.1和MCEWizard v2.3.1進(jìn)行測試的，更新后的軟件工具可能無法保證相同的性能。

3. 固件準(zhǔn)備

從英飛凌網(wǎng)站下載MCE固件，選擇“IMD112T - F040 MCE Software Package v x.x.x”。該套件包含了固件、默認(rèn)參數(shù)、默認(rèn)映射文件和MCEDesigner文件等關(guān)鍵文件。同樣，該參考板是通過IMD112T - F040 MCE Software Package v1.3.3進(jìn)行測試的，更新后的軟件工具和MCE固件可能無法保證相同的性能。

4. 參數(shù)和腳本文件準(zhǔn)備

如果對iMOTION?應(yīng)用不太熟悉，可以登錄myInfineon進(jìn)行產(chǎn)品注冊，下載該參考板的默認(rèn)軟件包。在MCEWizard中打開相關(guān)文件，輸入目標(biāo)電機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)需要修改關(guān)鍵電機(jī)控制參數(shù)。如果需要使用遠(yuǎn)程紅外控制的腳本功能，還需要進(jìn)行腳本編輯和參數(shù)計(jì)算。

5. 編程

將固件、參數(shù)集和腳本文件（可選）編程到IMD112T - 6F040中?？梢苑謩e編程固件、參數(shù)集和腳本文件，也可以使用MCEWizard生成的組合文件進(jìn)行編程。編程過程需要使用MCEDesigner工具，確保iMOTION?控制IC正確供電，并選擇合適的COM端口進(jìn)行連接。

6. 開環(huán)診斷

在開環(huán)診斷階段，確保輸入功率為230Vrms，只編程固件和參數(shù)文件（禁用腳本功能）。通過“VF Diagnostic”功能監(jiān)測電機(jī)電流，調(diào)整相關(guān)寄存器，直到示波器顯示穩(wěn)定的正弦電流。同時(shí)，檢查電機(jī)電流反饋是否干凈正弦，必要時(shí)調(diào)整MCEWizard中的相關(guān)參數(shù)。

7. 閉環(huán)運(yùn)行

在開環(huán)診斷正常后，可以嘗試在閉環(huán)模式下運(yùn)行吊扇電機(jī)。啟動(dòng)電機(jī)，檢查電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，設(shè)置目標(biāo)速度，監(jiān)測相關(guān)參數(shù)。如果Flx_M不穩(wěn)定、有噪聲或不接近2048，需要檢查相關(guān)參數(shù)和硬件。

8. 紅外控制調(diào)試

在開環(huán)診斷和閉環(huán)運(yùn)行正常后，可以進(jìn)行紅外控制調(diào)試。連接主電路板和子板，編程固件、參數(shù)文件（啟用腳本功能）和腳本文件。使用遠(yuǎn)程紅外控制盒測試電機(jī)速度控制功能。

五、功能模塊描述

1. 主電路板功能模塊

• EMI濾波器和浪涌保護(hù)：由X電容、Y電容和共模電感組成EMI濾波器，兩級MOV組成浪涌保護(hù)電路，有效減少電磁干擾和保護(hù)系統(tǒng)免受浪涌沖擊。
• 直流母線傳感和MCEWizard配置：通過電阻分壓器實(shí)現(xiàn)直流母線傳感，將輸入電壓范圍映射到微控制器的ADC輸入范圍。在MCEWizard中配置相關(guān)硬件參數(shù)，通過調(diào)整電容值可以提高Vdc噪聲抑制比。
• 逆變器部分：采用最新一代的RC - D2 IGBT（IKN03N60RC2或IKD04N60RC2），具有參數(shù)分布緊密、工作范圍寬、最大結(jié)溫高、短路能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于高壓和高濕度環(huán)境。
• 電機(jī)電流傳感和過流保護(hù)：使用RC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電機(jī)電流傳感，通過內(nèi)部比較器實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意ADC運(yùn)算偏置、內(nèi)部信號放大和PCB接地網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。
• PFC部分：使用IRS44273L進(jìn)行PFC MOS驅(qū)動(dòng)，采用650V DuoPack IGBT和二極管進(jìn)行PFC開關(guān)，同時(shí)具備PFC電流傳感和過流保護(hù)功能。
• IMD112T接口電路：提供14V和5V電源，為逆變器電路提供驅(qū)動(dòng)信號，接收電機(jī)電流傳感信號、PFC電流傳感信號、交流輸入電壓傳感信號等，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制和監(jiān)測。
• 與XMC子板的接口電路：為XMC子板提供5V電源，接收來自遠(yuǎn)程紅外控制盒的占空比信號，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制。

2. 子板功能模塊

子板XMC1100_IR_RC接收來自遠(yuǎn)程紅外控制盒的信號，并將其轉(zhuǎn)換為占空比信號，用于控制吊扇電機(jī)的速度。通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)NEC協(xié)議，XMC1100可以存儲上次輸出狀態(tài)，重新上電后輸出上次使用的占空比信號。

3. 腳本代碼描述

腳本代碼用于控制電機(jī)和PFC的啟動(dòng)/停止、電機(jī)目標(biāo)速度，以及PFC母線目標(biāo)值跟蹤輸入電壓和根據(jù)電機(jī)反電動(dòng)勢調(diào)整母線目標(biāo)值。腳本代碼包含兩個(gè)任務(wù)：Script_Task0和Script_Task1，分別以5ms和10ms的周期執(zhí)行。

六、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 原理圖

該參考設(shè)計(jì)的主要功能模塊在前面已經(jīng)介紹過，用戶可以登錄myInfineon賬戶，在板卡網(wǎng)頁上下載詳細(xì)的設(shè)計(jì)文件。

2. 布局

• 主電路板布局：主電路板為單層環(huán)形設(shè)計(jì)，直徑90mm，高度65mm，銅厚度為1oz。
• 子板布局：子板為雙層方形設(shè)計(jì)，尺寸為19mm×15mm×16mm，銅厚度為1oz。

3. 物料清單

完整的物料清單可以在英飛凌主頁的下載部分獲取，需要登錄賬號進(jìn)行下載。文檔中還列出了主電路板和子板的重要/關(guān)鍵部件的物料清單。

4. 連接器詳情

詳細(xì)介紹了主電路板和子板的連接器信息，包括引腳功能和連接方式。

七、系統(tǒng)性能

1. PFC iTHD在額定條件下

在額定輸入電壓230Vrms和吊扇電機(jī)額定輸出功率的條件下，PFC的功率因數(shù)達(dá)到0.968 ~ 0.974，iTHD為9.33 ~ 9.74%。

2. 母線電壓紋波

輸入電壓在120Vrms到270Vrms范圍內(nèi)，母線電壓紋波在1.89%到2.6%之間。

3. PFC IGBT Vce dv/dt性能

在不同輸入電壓和功率條件下，PFC IGBT的Vce dv/dt表現(xiàn)良好，上升沿和下降沿的變化率穩(wěn)定。

4. PFC熱性能

在不同輸入電壓和功率條件下，PFC IGBT和電機(jī)IGBT的溫度變化在合理范圍內(nèi)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5. 逆變器IGBT dv/dt性能

在不同電流位置下，逆變器IGBT的dv/dt表現(xiàn)穩(wěn)定，上升沿和下降沿的變化率符合設(shè)計(jì)要求。

6. 逆變器IGBT死區(qū)時(shí)間測試

在不同輸入電壓和功率條件下，逆變器IGBT的死區(qū)時(shí)間測試結(jié)果符合預(yù)期，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

7. 電磁干擾（EMI）傳導(dǎo)

該參考設(shè)計(jì)的傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果符合EN 55032標(biāo)準(zhǔn)，短而強(qiáng)的PE連接線對于減少B類ITE設(shè)備的傳導(dǎo)干擾非常重要。

8. 浪涌抗擾度測試

該測試符合IEC標(biāo)準(zhǔn)IEC61000 - 4 - 5，在L - N上施加0.5kV到4kV的浪涌脈沖，PFC正常運(yùn)行，電機(jī)空載運(yùn)行。1 ~ 2kV時(shí)，電機(jī)和PFC工作正常，僅有輕微干擾；2 ~ 4kV時(shí)，浪涌觸發(fā)過壓故障，清除故障或重新上電后系統(tǒng)可恢復(fù)工作。

9. 紅外控制系統(tǒng)測試

通過連接主電路板和子板，并使用腳本代碼進(jìn)行遠(yuǎn)程紅外控制測試，在不同輸入電壓和檔位下，記錄了電機(jī)速度、PFC直流目標(biāo)電壓、iTHD、輸入功率、功率因數(shù)和輸入電流等參數(shù)。

八、總結(jié)

REF - SHA35WRC2SYS參考設(shè)計(jì)為高壓吊扇應(yīng)用提供了一個(gè)高性能、高效率的解決方案。它集成了先進(jìn)的技術(shù)和豐富的功能，通過合理的硬件設(shè)計(jì)、軟件工具和腳本代碼的配合，實(shí)現(xiàn)了對吊扇電機(jī)的精確控制。同時(shí)，該設(shè)計(jì)在系統(tǒng)性能方面表現(xiàn)出色，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。作為電子工程師，我們可以借鑒該設(shè)計(jì)的思路和方法，為其他類似的電機(jī)控制應(yīng)用提供參考。

大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？你對REF - SHA35WRC2SYS參考設(shè)計(jì)有什么獨(dú)特的見解或改進(jìn)建議嗎？歡迎在評論區(qū)分享你的想法。