REFFRIDGED111TRC2SL：冰箱壓縮機驅動參考設計板的深度解析

在電子工程師的日常工作中，尋找合適的參考設計板對于產品開發至關重要。今天我們就來詳細解析一下 Infineon 的 REFFRIDGED111TRC2SL 冰箱壓縮機驅動參考設計板，看看它能為我們帶來哪些便利和優勢。

文件下載：Infineon Technologies REF_FRIDGE_D111T_RC2_SL參考板.pdf

一、概述

REFFRIDGED111TRC2SL 是 iMOTION? 電機驅動參考設計套件的一部分，專為冰箱壓縮機驅動應用而設計。該套件結合了英飛凌的一系列產品，如新的 RC - D2 IGBT 和電機控制驅動器 iMOTION? IMD111T - F040，是一個現成的解決方案，能輕松轉化為冰箱壓縮機的量產板，加速開發階段并實現快速上市。

不過需要注意的是，盡管在設計時考慮了環境條件，但該設計僅進行了本文件中描述的測試，在安全要求、整個工作溫度范圍或使用壽命內的制造和操作方面并未經過完全認證。而且這些評估板僅進行了典型負載條件下的功能測試，與常規產品在退貨材料分析（RMA）、工藝變更通知（PCN）和產品停產（PD）方面的流程不同，僅適用于實驗室條件下的專業人員使用。

二、交付內容

交付內容僅包含如圖 2 所示的板子。而用于調整板載固件的 iMOTION? Link 并未包含在交付內容中，但它是必需的，可以根據第 5.3 節的詳細信息單獨訂購。

三、主要特性

3.1 核心器件優勢

• iMOTION? Driver IMD111T - 6F040：這是一款現成的運動控制器，帶有腳本引擎和 6 通道絕緣體上硅（SOI）驅動器。它具有 Motion Control Engine（MCE 2.0），支持單或腿分流電流測量，采用無傳感器/基于霍爾的 FOC 電機控制算法，還可選擇對升壓和圖騰柱 PFC 進行控制。同時具備死區時間插入和直通預防、過流/過壓/欠壓鎖定等保護功能，擁有 600 V 阻斷電壓的高壓三相柵極驅動器，柵極驅動器的供電電壓為 15 V，采用 LQFP - 40 封裝。
• RCD2 - 600 V IGBT：它是 RC - D/DF IGBT 的繼任者，具有最低的 EMI 和損耗。該技術的二極管是單片集成的，適合消費類驅動器。通過優化二極管的電流額定值，使其在價格和性能方面更具競爭力。并且它是首個引入 SOT - 223 封裝的 IGBT 系列，這種封裝尺寸更小，進一步降低了價格，與 DPAK 封裝引腳兼容且可替換，占用相同的占地面積。與 RC - DF 相比，它具有價格合理、性能足夠、di/dt 可控以減少電磁噪聲、改善濕度魯棒性（通過 HV - H3TRB 測試）以及在 DPAK 中有 4 A 至 15 A 電流等級的廣泛產品組合等優勢。

3.2 系統整體優勢

該系統解決方案能夠實現高度集成、靈活的設計以及最低的 EMI，為冰箱壓縮機驅動提供了可靠的保障。

四、系統與功能描述

4.1 調試過程

4.1.1 硬件連接

硬件連接是系統調試的第一步。需要使用 iMOTION? Link 電纜將 PC/調試器端與電機驅動系統（目標 iMOTION? 設備，熱端）隔離開來，實現 1 kV DC 電氣隔離。具體操作是將 iMOTION? Link 的 8 針電纜以默認引腳順序連接到 X7，然后用 USB 線連接 PC 和 iMOTION? Link，接著連接交流電源（X1）和電機（X2）。

4.1.2 軟件/固件準備

軟件和固件準備工作也至關重要。需要使用英飛凌網站（http://www.infineon.com/imotion - software）上下載的 iMOTION? 軟件工具 MCEDesigner 和 MCEWizard 來設置系統、控制和微調系統性能。從網站上下載 MCE 固件，并根據需求選擇合適的版本。使用 MCEWizard 輸入目標電機的系統和運行參數以及參考板的硬件參數，生成控制器的數字參數集。設置完成后，在“驗證與保存頁面”點擊“計算”按鈕，若無誤則保存驅動參數集。對于首次運行板子的用戶，建議先不使用腳本生成功能，待電機性能調試完成后再添加。

4.1.3 程序固件/參數/腳本

REF_Fridge_D111T_RC2_SL 參考設計套件在發貨前已進行過功能測試，帶有預編程的固件和默認參數。但由于電機可能與測試時不同，用戶需要對參數進行編程。編程過程包括對 MCE 固件、系統和電機的參數集進行編程，以及可選的客戶腳本文件編程。也可以使用 MCEWizard 生成的包含上述三項內容的組合文件，該文件通常用于生產，只需編程一次。

4.1.4 開環診斷

開環診斷是判斷電機連接、功率級工作、電流傳感相關參數配置以及 PCB 布局和直流母線去耦是否正確的重要步驟。雙擊“VF Diagnostic”功能，用示波器監測電機電流，若不是正弦波，可更改寄存器 TargetSpeed 和 Vd_Ext，直到示波器顯示穩定的正弦電流，幅度為電機額定電流的 30% - 50%。再雙擊“System page > Monitor Definitions”中的“Iu & Iv_Slow”，若電機電流反饋不干凈、不是正弦波，則需在 MCEWizard 中調整“Gating Propagation Delay & Phase Shift Window Size”。完成“VF Diagnostic”后，點擊 STOP 按鈕或運行“stop motor”功能停止電機。

4.1.5 閉環運行

若開環診斷正常，即可嘗試閉環運行。首先點擊控制欄中的綠色交通燈按鈕或雙擊“User Application Function Definitions”組中“motor1”窗口的“Start Motor”子功能啟動電機。檢查電機旋轉方向，若方向錯誤，可調整電機繞組的連接順序或在 MCEDesigner 中設置負的 TargetSpeed。將 TargetSpeed 設置為最大速度的 50% 左右，啟動“Iu & Flx_M”跟蹤。若 FlxM 不穩定，需檢查電機參數、速度環 PI 增益、磁通估計器時間常數和 PLL PI 帶寬等參數；若噪聲大，需檢查電流反饋和 $V{dc}$ 相關的硬件和參數；若 FlxM 與 2048 相差較大，需在 MCEWizard 中調整“Motor Back EMF Constant ( $K{e}$ )”。若只需編程新的參數文件，可參考第 2.1.3 節的說明，此時無需再次編程固件，可選擇“Program Parameters”選項。

4.2 功能模塊描述

4.2.1 逆變器級

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，它具有更好的價格優勢、更低的功率損耗，對 di/dt 的可控性更強，能進一步降低 EMI，并且在高壓和高濕度環境下也具有很強的魯棒性。

4.2.2 EMI 濾波器

EMI 濾波器由兩個分別為 470 nF 和 330 nF 的 X 電容、一個 4.7 nF 的 Y 電容和一個共模電感組成。共模電感的參數可在登錄 myInfineon 賬戶后從板載網頁下載。該板的傳導電磁干擾情況在第 4.2 節中有介紹，需要注意的是，此板未進行過浪涌測試，板上的 X 電容（C10 和 C15）為 X2 級，根據 IEC60384 - 14，其浪涌測試能力為 2.5 kV。若需要更高的浪涌等級，需將 X 電容替換為 X1 級組件，或在板的輸入側添加額外的浪涌保護裝置。

4.2.3 DC 總線傳感和 MCEWizard 配置

DC 總線傳感電阻分壓器階段的默認 DC 總線感測電壓范圍為 0 V 至 5 V，反映輸入電壓范圍為 0 V 至 505 V。需要在 MCEWizard 中配置硬件參數，$V{dc}$ 傳感階段具有低通濾波器時間常數，可通過調整電容 C17 的值來提高 $V{dc}$ 噪聲抑制比。

4.2.4 電流傳感和過流保護

• 電流傳感：該板的電流傳感僅使用 RC 網絡進行操作偏置和低通濾波，以降低成本，無需額外的運算放大器。通過應用基爾霍夫電壓定律和相關假設可推導出 $V_{ADC}$ 的計算公式。需要注意的是，R8 和 R20 也決定了電流傳感的 ADC 操作偏置；由于外部 RC 電路的增益小于 1，需要內部信號放大來提高低分流電阻值下采集的電流信號；由于沒有外部運算放大器，沒有共模噪聲抑制能力，因此 PCB 的 GND 網絡需要精心設計。
• 過流保護：IMD111T - 6F040 可通過內部比較器檢測過流情況。內部比較器的參考電平由內部數模轉換器（DAC）設置，可在 MCEWizard 中通過“Device overcurrent trigger level setting for comparator”和“Motor1 current input to ADC offset voltage”進行設置。DAC 輸出引腳 REFU 需連接電容以提高噪聲抑制能力。

  4.2.5 NTC 傳感和熱保護

  IMD111T - 6F040 的引腳 35 連接到專門用于溫度傳感的 ADC 端口。板上需通過特定電路連接負溫度系數電阻（NTC），NTC 安裝在電機相‘V’的低側 IGBT 底部。根據 NTC 電阻的參數和熱阻特性，可得到不同溫度下的電壓值。IMD111T - 6F040 內部的固件集成了過溫保護裝置，用戶只需在 MCEWizard 中設置適當的觸發電平即可。

  4.2.6 頻率信號接口

  由于當前冰箱應用主要使用頻率信號來控制壓縮機速度，該板設計了頻率信號接口。輸入信號與板上的控制和功率部分隔離，典型的冰箱應用輸入控制信號為方波，其頻率與電機速度的關系在表 6 中有詳細說明。

五、系統設計

5.1 原理圖

主要功能模塊在第 2.2 節中已有介紹，對詳細信息感興趣的用戶可在登錄 myInfineon 賬戶后從板載網頁下載設計文件。

5.2 布局

該板為單層設計，尺寸為 115 mm × 105 mm，采用 1 oz.（35 μm）銅厚制造。在設計時，為了提高熱性能，IGBT 的集電極端子直接連接到 IGBT 引線框架，最大化與 IGBT 連接器引腳相連的銅面積可有效降低 IGBT 結溫，使板子能輸出更多功率。同時，由于電流采樣是非差分的且無需額外的運算放大器，因此需要精心設計接地面積，確保數字地與分流接地之間具有低阻抗連接，以保證正確采樣電流。

5.3 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 myInfineon 賬戶。文中列出了參考板最重要/關鍵部分的 BOM 表，方便大家了解主要器件信息。

5.4 連接器細節

文檔詳細介紹了各個連接器的引腳功能，包括 AC 線連接器（X1）、電機側連接器（X2）、iMOTION? Link 連接器（X7）、接地連接器（X11）和頻率輸入信號連接器（X13）等，為實際應用中的連接提供了清晰的指導。

六、系統性能

6.1 熱特性

基于單層 FR4 PCB 和 1 oz. 銅的測試表明，在環境溫度為 25°C、交流電壓為 220 V 的條件下，采用 3 相脈寬調制策略，載波頻率為 5 kHz，隨著輸入功率的增加，直到 IGBT 外殼溫度達到 100°C。文中給出了輸入功率和電流的特性表，為評估系統在不同工況下的熱性能提供了數據支持。

6.2 電磁干擾（EMI）傳導

該板的傳導 EMI 測試遵循 EN 55032 - 信息技術設備（ITE）B 類設備電源端口的傳導干擾標準。測試使用額定功率為 180 W 的風扇作為負載電機，分別在交流 L 線和 N 線的 100 W（輕載）和 180 W（重載）四種不同組合下進行。測試結果表明，所有最終測量值與 EN 55032 標準規定的限值相比，都有超過 5 dB 的余量，說明該板在電磁兼容性方面表現良好。

6.3 電快速瞬變（EFT）測試

在電壓峰值為 4 kV、突發頻率為 5 kHz 和 100 kHz、耦合路徑包括 L、N、PE、L + N、L + PE、N + PE、L + N + PE，每個持續時間為 120 s 的測試條件下，該板在測試期間能正常驅動電機，未出現系統崩潰、復位或損壞的情況，顯示出良好的抗干擾能力。

6.4 IGBT dV/dt 測試

通過連接示波器探頭測量 IGBT 集電極 - 發射極電壓（$VCE$）在導通和關斷切換時的波形，計算得到當低側 IGBT 導通時，$VCE$ 的 dV/dt 為 5.24 V/ns；當低側 IGBT 關斷時，dV/dt 為 2.8 V/ns。用戶可根據需要進一步調整 $R_{g}$ 值來控制 IGBT 的 dV/dt。

總的來說，REFFRIDGED111TRC2SL 參考設計板在冰箱壓縮機驅動應用中具有很多優勢，但在使用過程中也需要嚴格遵循相關的安全注意事項和操作流程。希望這篇博文能為各位電子工程師在涉及冰箱壓縮機驅動設計時提供有價值的參考。你在使用類似參考設計板時遇到過哪些問題呢？歡迎一起交流討論。