汽车电子电源模块 (APM) 逆变器参考设计解决方案

　　飞兆半导体开发了一种逆变器参考设计 （IRD），展示了新型FTCO3V455A1三相汽车电源模块 （APM） 的使用。它适用于中等功率 （1-2 kW） 12 V 三相逆变器应用。它最适用于汽车应用，如电动助力转向、电动空调、变速箱润滑油泵和其他车辆应用。IRD 套件旨在为在完整的三相逆变器配置中评估和应用 APM 提供快速且廉价的平台。只需添加适当的电子系统控制，即可以最少的时间和投资实现电机驱动解决方案。

　　特征

• 　　FTCO3V455A1 三相电源模块
• 　　光输入隔离
• 　　三个半桥栅极驱动器
• 　　逆变器直流链路分流放大器
• 　　模块温度转换电路
• 　　用于反馈的感测相电压放大
• 　　过流和过温关断电路
• 　　反向电池和电压瞬态保护电路
• 　　可选的三通道电流传感器板（典型 2 相加直流链路）

　　系统总览

　　逆变器参考设计 （IRD） 评估板带有可选的三通道电流传感器板，演示了汽车电源模块的使用。本文包含对电源模块、逆变器驱动、信号调理和典型工作特性的完整描述。系统框图如图 所示。

　　图 ：IRD 框图。

　　整个 IRD 的控制电源来自单个 12 V 输入源。此外，系统必须配备大电流电池电源，用于通过逆变桥为负载电机供电。如果需要，可以使用单个 12 V 电源为这两个功能提供电源。

　　大电流电池源在应用于逆变桥之前通过直流链路继电器和差模/共模滤波器网络连接。继电器控制电路提供了一个反向电池保护方案，其中继电器不会通电，除非电池电源连接到正确的极性和足够的电压电平。

　　通过使用 Y 电容器和共模扼流圈，提供直流链路滤波以抑制共模电池电压源噪声。逆变桥电压由 LC PI 网络和一对差模电容器进一步滤波。

　　3.3 V 线性稳压器电路源自 12 V 控制源，用于为所有逻辑和放大器电路供电。

　　由于栅极驱动电路需要保持足够高的输出电压以确保对 APM 进行全栅极驱动，因此三个栅极驱动器器件直接由 12 V 控制源供电。

　　逆变桥器件的开关由 8 个数字输入信号（6 个门、继电器控制和故障清除）控制，这些信号通过光耦合器阵列连接。这些输入参考单个通用数字输入连接，并与所有其他 IRD 电路完全隔离。这种浮动公共连接可以连接到电路板接地或保持完全隔离以提供卓越的控制器抗噪能力。

　　模拟输出和数字输出信号以电路板公共地 （GND） 为参考。这些 I/O 信号的范围、比例和描述在表 1 中有详细说明。

　　表 1：信号 I/O 连接。

　　模块说明

　　APM 包含一个三相 MOSFET 桥、电流检测分流器、RC 电压缓冲电路和一个温度检测热敏电阻 （NTC）。它的一侧有 14 个信号连接，另一侧有 5 个电源连接。这 19 个连接被焊接到 IRD 上的焊盘上。该模块的底部还有一个电绝缘铜散热器，必须连接到外部散热器。该模块的原理图如图 所示。

　　图 ：电源模块内部原理图。

　　输入隔离

　　逆变器驱动和输入控制信号的隔离是通过使用双高速输入信号光耦实现的。八个数字输入通道中的每一个都使用光电耦合器进行光隔离，并具有与 IN-COM 引脚的公共接地连接。

　　这种电路配置在逆变器和外部微控制器之间提供了完全隔离。由于光耦合器输入是电流驱动的，它可以在很宽的输入电压范围内工作。输入电压必须提供至少 2 mA 的光电二极管驱动电流且不超过 20 mA。因此，最小的“逻辑高”输入电平信号是任何高于 5 伏的电压，并且可以高达 20 伏。“逻辑低”电平信号是低于 1.6 伏的任何电压。可以通过减小光耦合器输入电阻的值来适应较低的输入电压电平。

　　栅极驱动器

　　安装在 IRD 上的是三相电源模块，包含六个独立的 MOSFET 器件。每个 MOSFET 器件都需要一个栅极驱动电流放大器来进行控制。这些电流驱动功能由三个半桥栅极驱动器 IC 提供。

　　栅极驱动器级由三个FAN7393A半桥栅极驱动器 IC 组成，一个用于电源桥的每个桥臂。每个栅极驱动器 IC 都需要三个输入信号：not_shutdown （SD/）、输入 （IN） 和死区时间 （DT）。

　　死区时间信号用于调整在一个设备关闭和另一个设备开启之间（在给定的相腿中）应用的驻留时间，以避免短路或“击穿”情况。该时间通过一个从 DT 端子连接到地的编程电阻器来设置。最初，编程电阻的值设置为 22 kΩ，这将提供 1 µs 的锁定周期。

　　栅极驱动器 IC 输出端的电阻网络提供双向栅极驱动器输出电流。这种配置将在器件关断期间提供一半的栅极电阻，而在器件开启期间则使用该配置。这允许独立调整功率器件的开启和关闭时间。

　　放大器

　　提供板载放大器电路来调节三相电压、直流链路电压、分流信号和 NTC 热敏电阻。三相电压和直流链路电压通过一组运算放大器进行监控，这些运算放大器以改进的差分放大器配置排列。分压输入滤波器网络用于限制施加到放大器 IC 的绝对电压并提供低通滤波器。

　　图  显示了其中一个低通滤波器电路的示例。截止频率、信号范围、增益和偏移参数在表 1 中有详细说明。

　　图 ：电压放大器电路。

　　电压放大器的设计使得信号的高频开关分量将被消除，只留下电机基频。这些滤波后的电压信号在输出连接器上可用（参见表 1）。模块的内部电流分流信号也以类似方式放大。

　　电流分流放大器的直流增益和滤波器截止频率如表1所示。该放大器能够将分流器的低电平信号处理成有用的高电平控制信号。转换后的电流信号在输出连接器上可用。它还连接到过流检测电路，在此将其信号电平与设置为指示过流情况的电平的电压参考进行比较。假设过流故障启用跳线已到位，任何超过 150 A 的分流电流水平都会使过流故障电路跳闸，这将禁用逆变桥。无论跳线的状态如何，过流故障信号都会出现在 I/O 连接器上，因此可以在独立于板载过流故障检测电路的控制软件中使用。

　　APM 模块包含一个内部热敏电阻，该热敏电阻安装在靠近 MOSFET 芯片的位置，以便为模块的功率器件提供过热保护。

　　将模块的温度信号电平与指示过热故障 （OT） 条件的电压参考值进行比较。假设过热故障启用跳线已就位，任何指示温度超过 140°C 的电压电平都会使过热故障电路跳闸。无论跳线的状态如何，过温故障信号都会出现在 I/O 连接器上，因此可以在独立于板载过温故障检测的控制软件中使用。可以通过调整设置比较器参考电压电平的电阻值来改变过热和过流跳闸电平。

　　故障保护

　　IRD 具有板载故障保护电路，可在发生严重过流或过热情况时保护电源模块。当跳线 J2 和 J3 就位时，过流 （OI） 和过热 （OT） 信号连接到故障保护电路。在故障情况下，保护电路将覆盖三个输入使能信号，这将禁用所有三个栅极驱动器电路。一旦触发故障，故障 LED 将呈红色亮起，表示已发生故障并且逆变器已锁定到空闲状态。

　　一旦发生故障，逆变器可以通过以下三种不同方式中的任何一种进行复位：

　　关闭控制电源并重新打开

　　按下 PCB 上的复位按钮

　　在 FLT-CLR 端子上相对于 I/O 连接器上的 IN-COM 端子呈现逻辑“高”信号。

　　故障保护电路如图  所示。

　　图 ：故障保护电路。

　　直流链路滤波器和继电器

　　大电流电池源通过“电源块”POS 和 NEG 端子连接连接到 IRD。它通过继电器 K1 连接到逆变桥，然后通过共模/差模和 pi 滤波器网络进行滤波。此外，瞬态电压保护由 TVS 和齐纳钳位器件提供。继电器由低侧 MOSFET 开关控制，该开关由外部隔离数字输入信号操作。反向电池保护是通过以下事实来实现的：只有在电池电压存在且正确极化的情况下，继电器才能通电。直流链路滤波器和继电器电路如图 所示。

　　图 ：大电流电池源滤波电路。

　　电流传感器板

　　IRD 系统提供一个可选的三通道电流传感器板，可直接安装在 IRD PCB 的输出区域。三个电流传感器通道中的每一个都包括一个带限低通滤波器 （LPF） 电路，用于控制电流传感器系统的输出带宽。三个通道可用于测量三相电流。或者它们可用于测量直流链路电流和两相电流。

　　使用的三个电流传感器是 LEM HAIS-100P，额定峰值电流为 300 安培。传感器的输出范围为 5 V，对应于零电流输入信号的偏移为 2.5 V。