40V、1.5kW BLDC電機驅動逆變器REF_40VDC_1.5KW_SAW設計解析

在電子工程師的日常工作中，電機驅動設計是一個關鍵且富有挑戰性的領域。今天，我們就來深入探討一下Infineon的REF_40VDC_1.5KW_SAW電機驅動板，它專為40V電池供電的無刷直流（BLDC）電機驅動而設計，適用于高達1.5kW的戶外動力設備等應用。

文件下載：Infineon Technologies REF_40VDC_1.5KW_SAW BLDC電機驅動板.pdf

一、背景與需求

戶外動力設備（OPE）涵蓋了割草機、吹風機、修枝機和鏈鋸等工具。傳統的汽油動力OPE存在體積大、重量重、噪音大以及產生二氧化碳排放等問題。隨著新的法律和環保法規的出臺，它們正逐漸被無繩電池供電的替代品所取代。24至40V的鋰離子電池組由于在低電流和安全電壓之間取得了平衡，非常適合這些應用。

在設計電池供電的OPE時，主要面臨以下三個挑戰：

1. 能量輸出最大化：在保持電機驅動器盡可能小而輕的同時，提供足夠的功率以滿足扭矩和速度要求。
2. 熱管理：最小化電力轉換產生的熱量，因為熱量不僅會浪費電池電量，還需要笨重的散熱器。因此，電機驅動器需要以盡可能高的效率運行。
3. 安全性：包括防止可能的故障和安全關機，以避免潛在的火災危險和對用戶的傷害。

二、REF_40VDC_1.5KW_SAW電機驅動板概述

該參考板是Infineon針對40V電池供電工具優化的系統解決方案，支持無傳感器磁場定向控制（FOC）或梯形控制。默認控制方法為無傳感器FOC，但通過替代固件，也支持帶霍爾傳感器的梯形或矢量操作。

硬件組成

參考板由三個半橋組成三相逆變器，每個半橋由一個低側和高側MOSFET（IQFH61N06NM5）組成，由Infineon的三相電機控制柵極驅動器IC（6ED2742S01Q）驅動。驅動器通過降壓調節器由40V電壓供電，降壓調節器的輸出再由線性穩壓器降至3.3V，為MCU和其他IC供電。

輸入級

輸入級由兩個輔助電源和一個三相半橋柵極驅動器組成，具有保護功能。當電池電壓啟用時，40V電壓供應給輸入級的三個IC。降壓控制器（IC2）將電池電壓從40V降至12V，而IC3（Infineon的TLS203B0EJ V33）用作第二個輔助電源，為MCU和其他IC提供3.3V電壓。此外，電池電壓連接到Infineon的ISC015N06NM5LF2ATMA1斷開MOSFET，這些MOSFET作為安全開關，在檢測到故障時由Infineon的EiceDRIVER（1EDL8011）斷開電池電壓。

功率級

功率級由三個半橋組成三相逆變器，每個相使用兩個IQFH61N06NM5 MOSFET，適用于電池供電和低電壓驅動應用。每個MOSFET并聯一個緩沖器，以抑制電壓瞬變，確保板的效率保持在98%或更高。功率級還集成了溫度傳感器，用于熱管理和保護。

電流傳感和驅動級

使用運算放大器IC（IC4）感測分流器（RS1、RS2和RS3）的輸出電流，并將電壓放大12倍。放大后的輸出被饋入Infineon的6ED2742S01Q柵極驅動器（IC5）。6ED2742S01Q是基于絕緣體上硅（SOI）的柵極驅動器，專為三相BLDC電機驅動應用而設計，具有集成的自舉二極管和涓流充電泵，支持100%占空比操作。

保護電路

柵極驅動器集成了保護電路，包括欠壓鎖定（UVLO）、過流保護（OCP）、直通保護和死區時間保護。這些保護功能確保了電機驅動器的安全可靠運行。

三、控制和固件

控制方法

參考板支持FOC和梯形控制（也稱為塊換向）兩種控制方法。

• FOC：使轉子與定子保持90°角度，三相繞組始終以不同的電流通電，以產生所需的定子磁通角度和大小。為了獲得最佳性能，使用三個分流器來感測半橋低側電流，提供足夠的相電流反饋以進行矢量控制。
• 梯形控制：通過在六個階段中為兩個相通電120°來旋轉電機，允許六個定子矢量位置。該控制方法通常使用霍爾或巨磁阻（GMR）傳感器來檢測轉子速度和位置。

速度控制器

速度控制器的參數受機械負載的影響很大，包括庫侖摩擦（$T_{f}$）、粘性摩擦（B）和慣性（J）。在使用固件操作任何電機時，準確測量或估計這三個參數并將其輸入到GUI或硬編碼到適當的頭文件中至關重要。

相位提前和MTPA

MTPA塊負責生成q和d軸電流的命令值，以最大化注入電機繞組的總電流的扭矩。通過求解扭矩方程，可以得到d和q軸電流命令值。

弱磁和MTPV

當電機速度超過基速時，需要弱磁方法來降低電機的反電動勢電壓，從而進一步提高速度。控制器通過積分器生成d軸電流，以削弱磁通并實現速度增加。

電流控制器

d和q電流命令用作電流控制器的輸入，輸出為電壓參考。最終，通過逆變器將電壓參考應用于電機，以控制電流。

四、測試設置與結果

測試設置

使用示波器、電壓和電流探頭以及功率分析儀對參考板進行各種測試。測試使用Magtrol測功機作為可調機械負載，連接到測試電機，用于測量扭矩和速度。在測試過程中，連接鼓風機以防止設備過熱。

測試結果

• 功率測量：在電機以2N·m的扭矩運行并達到穩態時，輸入功率為1.06978kW，輸出功率為1.04974kW，效率為98.127%。
• 熱測量：在無氣流/風扇、電機速度為4077rpm和2.0N·m負載的條件下，板的最熱區域位于中間相的分流器上，分流器在穩態下達到的最高溫度為90.1°C，最低溫度為89.8°C，效率約為98.0%。
• 操作波形：在輸出功率為1kW、電機速度為4077rpm和2.0N·m負載的穩態下，相電流范圍為29.79ARMS至30.5ARMS，波形保持平衡。U相的漏源電壓（$V_{DS}$）的最大電壓為40VPK - PK和40.4VPK - PK，開關電壓讀數均遠低于電壓額定值的20%。

五、總結

REF_40VDC_1.5KW_SAW參考板滿足了電動工具或三相電機設計中的要求和規格。其硬件設計合理，PCB布局優化了熱耗散、減少了寄生效應并提供了高電流路徑。控制和固件部分實現了高效的電機控制，包括FOC控制算法。測試結果表明，該參考板在高負載條件下仍能保持約98%的效率，并且在速度控制、相位提前、MPTA、弱磁、MTPV和電流控制等方面表現出色。此外，GUI提供了參數定制和不同FOC選項的選擇，簡化了產品開發過程并縮短了上市時間。

在實際應用中，電子工程師可以根據具體需求對參考板進行進一步的優化和調整。你在電機驅動設計中遇到過哪些挑戰？你認為REF_40VDC_1.5KW_SAW參考板在哪些方面還可以改進？歡迎在評論區分享你的看法。