EVAL-M1-05F310R評估板：助力電機驅動設計的利器

在電機驅動應用的設計領域，一款性能優良且易于使用的評估板能夠為工程師們節省大量的時間和精力。今天，我們就來詳細探討一下英飛凌（Infineon）的EVAL-M1-05F310R評估板，它是模塊化應用設計套件（MADK）的一部分，專為IRSM005 - 301MH設計，為電機驅動應用提供了全面的解決方案。

文件下載：Infineon Technologies EVAL-M1-05F310R iMOTION? MADK評估板.pdf

評估板概述

EVAL-M1-05F310R是一款功率評估板，屬于iMOTION? MADK的一部分。它配備了iMOTION?標準接口M1連接器，以及三個用于電機驅動應用的CIPOS? Nano 100 V半橋模塊。該評估板旨在為使用IRSM005 - 301MH CIPOS? Nano功率模塊進行應用設計的客戶提供支持，幫助他們在設計初期更好地了解和應用相關技術。

交付內容

評估板的交付內容包括一塊成品板，它具備三相交流連接器、EMI濾波器和軟上電電路、輸入整流器、直流母線電容器以及用于連接電機的三相輸出。此外，還配備了基于CoolSET?的輔助電源，可提供15V和3.3V的電壓，以及用于電流感測和過流保護的單分流器，還有用于直流母線電壓測量的分壓器。用戶可以直接使用所需的電源來操作該板，無需額外的組件。

主要特性

CIPOS? Nano智能功率模塊IRSM005 - 301MH具有以下主要特性：

• MOSFET漏源電壓為100V。
• 在25°C外殼溫度下，最大直流電流$I_{D}=30 A$。
• 封裝具有低熱阻和最小的寄生電感。
• 獨立的柵極驅動器與邏輯輸入同相。
• 柵極驅動器電源為15V。
• 與3.3V邏輯輸入兼容。
• 驅動器內部具有欠壓鎖定保護。
• 暴露的驅動器輸出和HEXFET柵極端子，可通過電阻進行dv/dt設置。

技術參數

系統與功能描述

啟動系統

要運行電機系統，需要將iMOTION? MADK功率板（EVAL-M1-05F310R）與匹配的MADK控制板（如EVAL-M1-101T）相結合。以下是啟動系統的詳細步驟：

1. 獲取控制板和軟件：從英飛凌網站（www.infineon.com/MADK）訂購EVAL-M1-101T控制板，并從http://www.infineon.com/imotion-software下載最新的“IMC101T - T038 MCE軟件包”。
2. 連接控制板和PC：通過USB電纜將PC連接到EVAL-M1-101T控制板，對控制板進行編程和調試。
3. 連接功率板和控制板：將EVAL-M1-101T的M1 20針接口連接器（J2）連接到功率板（如EVAL-M1-05F310R）。
4. 設置參數：使用MCEWizard輸入目標電機的系統和運行參數，以及評估板的硬件參數，然后點擊“Calculate”按鈕計算控制器的數字參數，并將驅動參數集保存到項目目錄中。
5. 連接電機和電源：將電機的相輸出連接到電機，將直流電源連接到功率輸入連接器，然后開啟系統電源。
6. 啟動MCEDesigner：打開MCEDesigner工具，選擇“File” > “Open”，打開IMC101T - T038控制器的默認配置文件（.irc）。
7. 連接控制板：MCEDesigner應自動使用默認COM端口連接到EVAL-M1-101T控制板。如果連接失敗，可以在“System”窗口中選擇“Preferences” > “Connection”，從下拉菜單中選擇其他可用的COM端口。
8. 編程系統參數：點擊“Tools” > “Programmer”，選擇“Program Parameters”，瀏覽并選擇步驟4中創建的系統驅動參數.txt文件。
9. 啟動和停止電機：點擊控制欄中的綠色交通燈按鈕啟動電機，點擊紅色交通燈按鈕停止電機。

功能模塊描述

評估板的電機逆變器由IRSM005 - 301MH模塊實現，輔助電源基于CoolSET?：ICE5GR4780AG。

• IRSM005 - 301MH概述：該模塊的主要特性前面已經介紹過，其絕對最大額定值如下表所示：	符號	描述	最小值	最大值	單位
  $V_{ps}$	MOSFET漏源電壓		100	V
  $I_{o}$	每個MOSFET在$T_{c}= 25°C$時的最大直流電流		30	A
  $P_upu5pf5$	每個MOSFET在$T_{c}=100°C$時的最大功耗		13.5	W
  $T_{j}$(MOSFET&IC)	工作結溫		150	°C
  $T_{s}$	存儲溫度范圍	-40	150	°C
  $V_{B}$	高端浮動電源電壓	-0.3	$V_{s}+20$	V
  $V_{s}$	高端浮動電源偏移電壓	$V_{B}-20$	$V_{B}+0.3$	V
  $V_{cc}$	低端固定電源電壓	-0.3	20	V
  $V_{IN}$	LIN、HIN的低輸入電壓	-0.3	$V_{cc}+0.3V$	V

• ICE5GR4780AG概述：這是一款英飛凌的CoolSET?單功率芯片，具有高性能、高效率和易于使用的特點，適用于30 - 600V直流超寬電壓范圍的工業輔助電源。其主要特性包括：
  • 集成800V雪崩堅固型CoolMOS?。
  • 增強型有源突發模式，可選擇進入和退出待機功率，實現最低待機功率<100mW。
  • 數字頻率降低，提高整體系統效率。
  • 級聯配置實現快速啟動。
  • 具有斜率補償的DCM和CCM操作。
  • 頻率抖動和軟柵極驅動，降低EMI。
  • 內置數字軟啟動。
  • 集成誤差放大器，支持非隔離反激式的直接反饋。
  • 全面的保護功能，包括輸入線過壓保護、$V{CC}$過壓、$V{CC}$欠壓、過載/開環、過溫保護，所有保護均為自動重啟模式。
  • 限制$V_{CC}$短路到地的充電電流。

系統設計

逆變器部分

逆變器部分使用CIPOS? Nano構建，采用三個半橋模塊作為三相逆變器橋部分。每個半橋模塊包含兩個功率MOSFET和一個半橋柵極驅動器，同時還提供了分流電阻部分。三個電容器C4、C5和C6用作自舉電容器，分別提供必要的浮動電源電壓VBU、VBV和VBW。

DC - DC電源轉換器

評估板上的輔助電源采用超級降壓電路，由ICE5GR4780AG芯片直接從直流母線生成15V（VCC）電壓，VCC連接到CIPOS? Nano內部的柵極驅動器。線性穩壓器TPS56043XF從VCC生成3.3V電壓，用于過流比較器電路。紅色LED1用于指示板是否通電。VCC和3.3V電壓也通過20針接口連接器J3提供給控制板上的電路。

DC母線電壓測量

連接器J3的引腳14可用于訪問直流母線電壓，該引腳有三種可能的反饋情況。R48是連接器打開時連接端口的安全電阻，直流母線感測的低端電阻為R48//R1（R1是EVAL-M1-101T上的下拉電阻），計算可得$sum R_{low side }=frac{1 M Omega × 13.3 k Omega}{1 M Omega+13.3 k Omega}=13.13 k Omega$。

電流感測和放大

評估板的電流反饋采用單分流感測方式，通過R16（5mΩ）進行感測。電流輸出IU +和IU -連接到J3。一個由R20/R23/C14/C15組成的低通濾波器（LPF）用于去除R16上的EMC噪聲，電流放大器由R18/R19/R20/R22/R23/C13和U1A組成，用于降低噪聲并實現比例放大。放大器的增益為$G=frac{R 18+R 19+R 20}{R 19+R 20}=15.96$，電流縮放為$V{shunt }=R 16 × G=79.8 mV / A$，靜態狀態下$V{o}=frac{R 30 × 3.3 V}{R 26+R 29+R 30}=0.607 V$，響應時間$T{0}=frac{1}{frac{ GBWP{U 11 a}}{A-1}}=1.5 mu s$，R21用于匹配U11A輸出的電阻。

電流反饋到控制板

電流信號從IU +到IU的衰減為$alpha=frac{R 6}{R 6+R 21+R 27}=0.833$，到IU輸入的總增益為$sum G=alpha × G=13.29$，到IU輸入的總電流縮放為$V_{shunt2 }=R 16 × sum G=66.4 mV / A$，到IU輸入的電流偏移為$Voffset =(3.3 V-0.6 V) × frac{R 21+R 27}{R 6+R 21+R 27}+0.6 V=1.06 V$。由于控制板的ADC范圍為3.3V，因此需要將控制板的內部增益設置為“1”。

OCP、GK和IOCP設置

評估板的過流保護（OCP）和柵極關斷（GK）電路如下：

• OCP設置：施密特觸發器（U11B）的閾值電壓設置為$V{TriphTH }=frac{R 35}{R 32+R 35} × 3.3 V=1.98 V$，反射的過流閾值為$I{TriphTH }=frac{V{TriphTH}-V{o}}{V{shunt 1}}=17.2 A$，響應時間為$T{D}=R 25 × C 16=100 ns$。當分流電流超過17.2A時，U11B引腳7輸出“0”。
• PWM關斷和GK輸出：U12A是比較器的緩沖電路。當發生過流時，U11B引腳7輸出“0”，C23將快速充電，U12B輸出邏輯“0”信號，這是所有PWM輸入的關斷信號，也是向控制板發送的柵極關斷信號，通知控制板停止PWM輸出。關斷的總延遲時間為$sum T{D}=T{O}+T{D}=1.5 mu s+0.1 mu s=1.6 mu s$。當過流消除后，U11B將變為邏輯“1”，C23將通過R36充電，充電時間常數為$T{up }=R 36 × C 23=220 mu s$。對于每次過流，U12B將輸出約220μs的“0”信號用于關斷PWM和通知分支控制系統。
• MCEWizard中的OCP設置：EVAL-M1-101T具有內部比較器，默認閾值為1.8V（對應17A）。要根據EVAL-M1-05F310R板計算MCEWizard的過流保護閾值，可以使用以下公式計算電壓閾值：$V{ref } =V{offset }+V{shunt 2} × I{O C P}=1.06 V+frac{66.4 mV / A × I_{O C P}}{1000}$。

NTC熱敏電阻特性和過熱保護計算

評估板上的NTC（R46）用于測量U2頂部的溫度，以實現過熱保護。該溫度值將發送到EVAL-M1-101T。NTC的型號為NXRT 15WF 104FA1B。VTH輸出值與溫度的關系如圖所示，MCEWizard中的設置也有相應的說明。

布局和物料清單

連接器詳情

評估板的連接器信息如下