探索EVAL_TOLT_DC36V_2KW：用于三相BLDC電機驅動的電源板

前言

在電子工程師的日常設計工作中，找到一款合適的評估電源板來驅動電池供電的無刷直流（BLDC）電機是一項關鍵任務。今天，我們就來深入探討一下英飛凌（Infineon）的 EVAL_TOLT_DC36V_2KW 評估電源板，它采用了 OptiMOS? 5 60 V TOLT MOSFET 技術，專為電池供電的中壓 BLDC 電機驅動設計，適用于高功率工具。

文件下載：Infineon Technologies EVAL_TOLT_DC36V_2KW評估板.pdf

一、關于 EVAL_TOLT_DC36V_2KW

1.1 適用人群與范圍

這份用戶手冊主要面向電池供電電動工具制造商，以及熟悉三相電機驅動系統和電機控制的工程師。該評估板用于驅動帶有三個霍爾傳感器的三相 BLDC 電機，采用脈沖寬度調制（PWM）6 步（塊）換向控制來調節電機速度。

1.2 重要注意事項

評估板和參考板僅用于演示和評估目的，并非商業化產品。它們在設計時考慮了環境條件，但未針對安全要求、全工作溫度范圍或使用壽命進行全面測試。使用時，用戶需確保其操作符合所在國家的相關要求和標準，并且要對評估板的適用性進行評估。

二、硬件設計亮點

2.1 電源供應系統

電源供應是整個系統穩定運行的基礎。EVAL_TOLT_DC36V_2KW 采用了降壓轉換器（buck converter）將 24 - 36 V 的電池電壓降至 12 V，為柵極驅動 IC 供電。這里使用了英飛凌的 ILD8150 降壓 LED 驅動 IC，它原本用于 LED 驅動器的恒流控制，經過修改后可提供穩定的 12 V 輸出。其采用的滯環控制器能實現極快的調節速度和穩定的輸出電壓，同時具備良好的 EMI 性能。

為了給 XMC? 驅動卡中的微控制器和電源評估板中的其他模擬電路供電，12 V 電壓會進一步通過線性穩壓器（LDO）降至 5 V。TLS205B LDO 可提供固定的 5 V 電源，最大輸出電流為 500 mA。此外，通過改變跳線 J3 的位置和移除電阻 R1，還可以使用外部 12 V 和 5 V 電源，方便調試。

2.2 柵極驅動電路

在驅動三相逆變器 MOSFET 時，英飛凌的 2EDL8124G 高低側柵極驅動 IC 發揮了重要作用。它是一款具有增強抗噪能力的真差分輸入（Tdi）柵極驅動 IC，內置遲滯功能，能有效避免因高電流應用中 di/dt 引起的瞬態干擾而導致的誤觸發，這對于保護標準柵極驅動器至關重要。而且，該柵極驅動 IC 在每個 MOSFET 的開啟和關閉之間內置了 2 ns 的延遲，有助于提高系統的穩定性。

2.3 TOLT MOSFET 封裝優勢

IPTC007N06NM5 TOLT MOSFET 用于驅動 BLDC 電機相。其獨特的封裝設計，將引線框架翻轉，使漏極焊盤暴露在封裝頂部，這為散熱帶來了極大的優勢。通過導熱絕緣材料（TIM）將熱量傳遞到散熱片上，能夠讓逆變器向負載提供更多的功率。與傳統的背面散熱方式相比，TOLT 封裝具有以下優點：

• 成本與功率提升：頂部散熱方式節省了冷卻系統的成本，同時提高了應用的功率能力。
• PCB 布局優化：由于散熱片不安裝在底部，可在 PCB 底部放置更多組件，增加了布局的靈活性。
• 電氣性能改善：增加了源極和漏極之間的距離（爬電距離），提高了電氣安全性。

2.4 散熱解決方案

為了確保 TOLT 封裝 MOSFET 的良好散熱，評估板采用了 Advanced Thermal Solutions 的定制散熱片（ATS - EXL110 - 300 - R0）。散熱片安裝在電路板頂部，通過底部的螺釘固定，扭矩設置在 1 - 2 in - lbs 之間。同時，使用了 Bergquist? gap pad? TGP 5000 作為導熱絕緣材料，其厚度為 500 μm，熱導率為 5 W/m - K，具有良好的熱性能和電氣絕緣性能。

2.5 保護電路設計

為了保護三相逆變器的 MOSFET 免受過流損壞，評估板設計了過流保護（OCP）電路。每個相的逆變器支路都有一個 1 mΩ 的分流電阻，通過差分放大器測量分流電阻上的電壓降，并經過積分器、緩沖器和低通濾波器處理后，將信號傳輸到 XMC? 驅動卡的微控制器進行處理。當檢測到的峰值電壓超過 4.8 V 時，比較器輸出高電平，觸發 D 觸發器，使 MOSFET Q8 導通，拉低 SD 信號，從而關閉逆變器。這樣的設計將過流跳閘電平設置為 192 A 峰值，有效保護了電路元件。

2.6 電源板連接器

評估板使用 32 針連接器 U12 與 XMC1300 驅動卡進行連接。詳細的引腳分配在手冊中有明確說明，涵蓋了接地、電源、信號傳輸等多個功能，確保了電源板和驅動卡之間的穩定通信和數據傳輸。

三、控制與固件實現

3.1 梯形控制（六步或塊換向）

與傳統的同步電機使用正弦波電壓驅動不同，BLDC 電機通常采用梯形控制，即塊換向或六步控制。在每個旋轉周期內，有六個換向間隔，間隔為 60 度。這種控制算法簡單，但會產生與三相電機電旋轉頻率六倍相關的轉矩脈動，導致振動和噪音。不過，對于電動工具來說，其性能是可以接受的。

在梯形控制中，通過霍爾傳感器檢測轉子位置，根據傳感器輸出的高低電平切換直流電壓到不同的相。XMC1300 系列微控制器具有足夠的處理能力來執行這種控制算法。在每個換向步驟中，一個繞組通電，另一個繞組電流流出，第三個繞組處于非通電開路狀態，通過定子線圈產生的磁場與永磁體之間的相互作用產生轉矩。

3.2 P - I 控制

為了實現速度調節，評估板采用了閉環控制系統，具體實現為比例 - 積分（P - I）控制。通過 XMC1300 驅動卡上的電位器設置速度指令值，固件根據霍爾傳感器輸入信號計算電機的實際速度，將設定值與實際值之間的誤差值輸入到 P - I 控制器中。控制器將誤差值分別乘以比例系數 $K{P}$ 和積分系數 $K{I}$，然后將結果相加，得到控制值，最終應用于功率級，調整輸出以匹配設定值。優化 $K{P}$ 和 $K{I}$ 的值對于實現最小的延遲和過沖非常關鍵。

四、系統操作與性能評估

4.1 系統啟動步驟

啟動系統時，需要按照以下步驟進行操作：

1. 連接電機相位：將輸出相位連接到 BLDC 電機，注意相位順序，否則電機將無法正常運行。
2. 連接霍爾傳感器：將三個霍爾傳感器通過連接器 X101 直接連接到 XMC1300 驅動卡。
3. 連接驅動卡與電源板：使用 32 針連接器將 XMC1300 驅動卡連接到電源板。
4. 選擇電源供應方式：如果使用板載電源，將 J3 的 1 腳和 2 腳短路；如果使用外部電源，將 J3 的 2 腳和 3 腳短路以使用外部 12 V 電源，移除 R1 以使用外部 5 V 電源。
5. 連接輸入電源：將輸入電源連接到 J1（+）和 J2（ - ）。

4.2 系統性能表現

4.2.1 工作波形分析

在高側調制與同步整流梯形控制方法下，通過示波器觀察到了不同時間尺度下的 MOSFET 柵源和漏源電壓以及相電流波形。這些波形直觀地展示了系統在不同工況下的工作狀態，對于分析系統性能和優化控制策略具有重要意義。

4.2.2 功率測量結果

在輸入功率為 2 kW、輸入電壓為 36 V 的情況下，對系統的輸入和輸出進行了測量。結果顯示，總輸出功率為 1808.28 W，效率達到了 98.08%，損耗僅為 35.32 W。這表明該評估板在功率轉換方面具有較高的效率。

4.2.3 熱測量情況

在輸入功率為 1850 W、輸入電壓為 36 V 的情況下，經過 12 分鐘的運行后，對系統進行了熱成像測量。結果顯示，溫度僅上升了 57.2°C，這得益于 TOLT MOSFET 封裝和散熱片的有效散熱設計，確保了系統在高負載下的穩定運行。

五、原理圖與 PCB 布局

5.1 原理圖展示

手冊中提供了評估板各個部分的原理圖，包括輸入部分、相位功率級、板連接器、電壓調節器和保護電路等。這些原理圖詳細地展示了電路的連接方式和元件的使用，為工程師進行電路分析和故障排查提供了重要依據。

5.2 PCB 布局特點

EVAL_TOLT_DC36V_2KW 板采用六層銅 PCB 設計，每層銅厚為 2 oz，板尺寸為 170 mm x 120 mm，材料為 1.6 mm 厚的 FR4 級。手冊中展示了頂層、中間層和底層的 PCB 布局圖，工程師可以根據這些布局圖了解元件的分布和布線情況，為 PCB 設計和優化提供參考。同時，英飛凌網站的下載部分提供了 Gerber 文件，但需要登錄才能下載。

5.3 物料清單

完整的物料清單（BOM）也可以從英飛凌網站的下載部分獲取。清單中詳細列出了每個元件的型號、數量、制造商和規格等信息，方便工程師進行采購和替換。

總結

EVAL_TOLT_DC36V_2KW 評估電源板為電池供電的 BLDC 電機驅動提供了一個全面的解決方案。其先進的硬件設計、靈活的控制與固件實現、良好的系統性能以及詳細的文檔支持，使其成為電子工程師在設計高功率工具電機驅動系統時的一個不錯選擇。在實際應用中，工程師可以根據具體需求對系統進行進一步的優化和調整，以滿足不同的工作場景和性能要求。你在使用類似評估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。