如何使用EPC9176评估板设计真空吸尘器电机驱动逆变器

由于对高效和紧凑的电机驱动应用的需求不断增长，EPC设计了EPC9176板，采用eGaN IC，可实现真空吸尘器逆变器的最大性能。EPC9176采用3个EPC23102 eganic。这种板是一种三相逆变器，能够提供无散热器的13ARMS和带散热器的18 ARMS，使IC的温升低于50°C。EPC9176板支持高达250khz的pwm开关频率。

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本文是关于如何使用 EPC9176 评估板设计真空吸尘器电机驱动逆变器的应用笔记，主要介绍了 EPC9176 评估板的设计原理、功能特点及实验验证结果。

*附件：如何使用 EPC9176 评估板设计真空吸尘器电机驱动逆变器.pdf

1. 设计动机 ：因高效紧凑电机驱动应用需求增长，EPC 设计了 EPC9176 板。它采用 eGaN IC，在真空吸尘器逆变器中能实现高性能，其由三个 EPC23102 eGaN IC 构成三相逆变器，无散热器时能提供 13 电流，有散热器且 IC 温升低于 50°C 时可达 18 ，并支持高达 250 kHz 的 PWM 开关频率。
2. 系统概述
   • 电路组成 ：包含基于六个 EPC23102 eGaN IC 的三相逆变器、直流链路电容器、稳压辅助电源、电压电流温度传感器及调理电路、保护功能等。控制器连接器 J60 用于连接外部数字微控制器单元，开关单元对称布局，通过分流电阻测量相输出电流，电机连接的每相都有传感电阻，还可通过 J80 连接电机轴编码器或霍尔效应传感器，其输出滤波信号经 J60 传至微控制器。
   • 直流链路电容作用 ：平衡电源和逆变器间瞬时功率波动，稳定高频开关电路引起的纹波。因高开关频率可降低所需电容值，所以采用陶瓷和钽电容，用户可定制以适应不同开关频率条件下的最佳滤波。
3. eGaN IC 特性
   • 电气性能优势 ：氮化镓器件技术电子迁移率高、温度系数低。EPC23102 eGaN IC 的典型漏源导通电阻 在 25°C 时为 5.2 mΩ，其横向结构和无本征体二极管特性使栅极电荷 极低，反向导通时反向恢复电荷 为零。与类似 的 MOSFET 相比，开关损耗小 5 倍，能以更高 PWM 频率和更短死区时间运行。
   • 封装优势 ：同一芯片上的高侧和低侧器件及直接焊接到印刷电路板上的方式，使共源寄生电感近乎为零，小尺寸封装能在较小面积内放置三个 EPC23102，实现高功率密度。
4. 设计细节
   • 电压电流检测 ：功率级 eGaN IC 最大电压 ，dv/dt 优化至小于 10 V/ns。每相电机电流通过 1.0 mΩ 的分流电阻双向检测，分流电压经 50 V/V 增益放大并添加 1.65 V 偏移，放大器带宽 400 kHz。放大后的信号用于检测过流以激活保护电路，过流信号（OCPn）会传至微控制器 J60。直流电源电压和每相电压通过电阻分压器网络测量，总增益为 29.2 mV/V。
   • 温度检测 ：逆变器板上的温度传感器（U40 - AD590）通过特定公式 将与温度成正比的电压反馈至 J60 连接器，并通过红外相机对 EPC23102 外壳顶部温度测量进行了特性表征。
5. 实验验证 ：EPC9176 功率板配置为三相 BLDC 电机驱动逆变器，与 EPC9147C（电机驱动控制器接口板 - STMicroelectronics STM32G431RB Nucleo）结合，采用无传感器 FOC 算法和空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制 25.2 V 真空吸尘器电机，逆变器开关 PWM 设为 80 kHz，死区时间 50 ns。实验展示了电机在 50 krpm 运行时的相电流波形，还表明在 80 kHz PWM 频率下输入电压和电流纹波减小，可按需选择电容类型。
6. 结论 ：EPC9176 是为真空吸尘器应用设计的 48 V 输入、400 W 输出的评估板，集成了驱动三相 BLDC 电机所需电路。凭借 eGaN 的高功率密度和高导电性，在自然对流被动散热且温升低于 50°C 时性能优异，提升了电机驱动系统的电流输出波形质量、减少扭矩振荡并提高系统效率。
   

系统概述逆变板包括支持一个完整的吸尘器电机驱动逆变器所需的所有功能电路，如下所述：
•基于6个EPC23102 eGaN ic的三相逆变器；
•直流链路电容器；
•稳压辅助电源；
•带调理电路的电压、电流和温度传感器；
•保护功能
逆变板的图片如图1所示

控制器连接器（J60）将EPC9176信号与外部数字微控制器单元连接起来。
开关单元以对称布局布置。相位输出电流通过分流电阻测量。每个相位都有与电机连接相对应的感应电阻。此外，兼容的电机轴编码器或霍尔效应传感器可以通过连接器j80连接到EPC9176电机控制驱动逆变器，输出滤波信号可用于连接器J60上的微控制器。[1]内置过流检测电路，当发生过流（OC）时触发；OC信号通过J60连接器发送到微控制器。直流链路电容器平衡电源和逆变器之间波动的瞬时功率交换，以稳定逆变器高频功率开关电路引起的纹波。高开关频率允许降低所需的电容值。因此，直流链路由陶瓷和钽电容实现，用户可以定制EPC9176，以在高开关频率和低开关频率工作条件下找到最佳滤波。

EPC9176配备有专用散热器，用于自然对流冷却，如图2所示。

散热器接地，并安装在一层薄绝缘材料的顶部，以防止与其他具有外露引脚导体的组件短路。热界面材料（TIM）放置在eGaN IC上方，以提高芯片与连接的散热器之间的界面热传导。此板使用的TIM为t-Global型号：TG-A6200 x 0.5毫米，导热率为6.2 W/m·K。

电机驱动逆变器的eGaN IC选择epc9176是由三个epc23102 eGaN IC组成的三相逆变器。氮化镓器件技术具有极高的电子迁移率和低温系数。EPC23102 eGaN IC具有典型的漏源通阻RDS(on) 5.2 mΩ（@25°C）。此外，eGaN器件的横向结构和没有固有体二极管提供了一个非常低的栅极电荷QG和零反向恢复电荷QRR，当反向感应操作时。与具有类似arrds （on）的mosfet相比，eGaN fet的开关损耗小五倍，因此逆变器可以在更高的pwm频率下工作，死区时间更短。eGaN ic的封装允许接近零的共源寄生电感，在同一芯片上具有高侧器件和低侧器件，以及通过将芯片直接焊接到印刷电路板上的功率环路寄生电感。占地面积小，可以在相对较小的面积内在电路板中插入三个EPC23102，从而提供高功率密度。EPC23102的占用空间如图3所示。