EVAL-M1-IM241评估板：电机驱动应用的理想之选

在电机驱动应用领域，一款性能出色、功能丰富的评估板对于工程师们进行产品开发和测试至关重要。今天，我们就来详细了解一下英飞凌（Infineon）的EVAL-M1-IM241评估板，它作为iMOTION™模块化应用设计套件（MADK）的一部分，为电机驱动设计带来了诸多便利和创新。

文件下载：Infineon Technologies EVAL-M1-IM241 评估板.pdf

一、评估板概述

EVAL-M1-IM241评估板主要用于电机驱动应用，与配备M1 20针接口连接器的控制板（如EVAL-M1-101T）配合使用，能够展示英飞凌的CIPOS™ Micro IPM技术和先进的运动控制引擎（MCE 2.0）技术，适用于永磁电机驱动。其搭载的IM241-L6T2B CIPOS™ Micro IPM具有600 V电压和6 A电流额定值，针对小型家用电器（如泵、风扇等低功率电机驱动应用）进行了优化。

1.1 交付内容

评估板的交付内容包括已完成的电路板，板上提供了单相交流连接器、EMI滤波器、输入整流器、直流母线电容器以及三相输出接口，用于连接电机。此外，还包含基于CoolSET™的辅助电源，可提供15 V和3.3 V电压，以及用于电流传感和过流保护的发射极分流器和用于直流母线电压测量的分压器。工程师可以直接使用该评估板，无需额外添加组件。

1.2 框图

评估板的框图清晰地展示了其各个功能模块的组成和连接关系。通过框图，我们可以直观地了解到评估板的整体架构，为后续的电路分析和设计提供了重要参考。

1.3 主要特性

• 输入电压范围广：支持110~230 VAC输入，满足不同地区的电网要求。
• 高功率输出能力：在220 VAC输入时，最大电机功率输出可达250 W。
• EMI滤波功能：板载EMI滤波器，符合EN55032标准，有效减少电磁干扰。
• 辅助电源稳定：提供15 V和3.3 V辅助电源，满足不同电路的供电需求。
• 多重保护机制：具备过流硬件保护和过温保护功能，确保系统的安全性和可靠性。
• 参数监测功能：可对直流母线电压进行传感，并提供热敏电阻输出。
• PCB设计合理：PCB尺寸为100 mm × 100 mm，两层2 oz.铜设计，符合RoHS标准。

1.4 板参数和技术数据

评估板的各项参数和技术数据详细地列出了其性能指标，包括输入电压、电流，输出功率、电流，直流母线电压，电流反馈，保护功能，辅助电源输出等方面。这些数据为工程师在设计和使用评估板时提供了准确的参考依据。

二、系统和功能描述

2.1 启动EVAL-M1-IM241

要运行电机系统，需要将iMOTION™ MADK功率板（EVAL-M1-IM241）与匹配的MADK控制板（如EVAL-M1-101T）结合使用。具体步骤如下：

1. 编程设置：使用iMOTION™软件工具（MCEDesigner和MCEWizard）对运动控制引擎（MCE）、系统和电机参数集进行编程，还可根据需要编程客户脚本和集成系统的组合文件。
2. 系统连接：将EVAL-M1-101T控制板连接到EVAL-M1-IM241评估板，并将PC-USB连接器连接到EVAL-M1-101T。同时，连接220 V交流电源和电机的UVW输出。
3. 参数设置：使用MCEWizard输入目标电机的系统和运行参数以及评估板的硬件参数，计算控制器的数字参数集。
4. 验证保存：在“验证与保存页面”点击“计算参数”按钮，若无误则保存驱动参数集。
5. 启动电源：打开220 V交流电源，此时红色LED1和LED2亮起。
6. 打开工具：启动MCEDesigner工具，打开IMC101T设备的默认配置文件。
7. 连接设置：若无法自动连接，可更改COM端口设置。
8. 空白IC处理：若IMC101T的固件已被擦除，需按照提示编程固件和参数文件。
9. 监测调整：通过“VF诊断”功能监测电机电流，调整目标速度和Vd_Ext，直至示波器显示稳定的正弦电流。
10. 启动电机：点击控制栏的绿色交通灯按钮或双击“启动电机”子功能启动电机。
11. 方向调整：检查电机旋转方向，若方向错误，可调整UVW连接顺序或在MCE Designer中设置负目标速度。
12. 性能调整：设置目标速度约为最大速度的50%，启动“Iu & Flx_M”跟踪，根据Flx_M的值进行相应的参数调整。

2.2 功能模块描述

2.2.1 IM241-L6T2B概述

IM241-L6T2B CIPOS™ Micro IPM是评估板电机逆变器的核心模块，其内部框图展示了各个功能单元的组成。该模块具有以下主要特性：

• 高电压逆变器：600 V三相逆变器，包含栅极驱动器和自举功能。
• 优化IGBT：采用反向导通IGBT Gen 2（RCD2），针对电机驱动进行了优化。
• 温度监测：具备温度监测功能，可实时了解模块的工作温度。
• 精确过流保护：过流关断精度为±5%，确保系统的安全性。
• 故障报告：支持故障报告和可编程故障清除功能。
• 输入滤波：先进的输入滤波器，具备直通保护功能。
• 低损耗设计：优化的dV/dt，实现损耗和EMI的平衡。
• 电流传感：支持单分流和腿分流电流传感。
• 逻辑兼容：3.3 V逻辑兼容，方便与其他电路集成。
• 电气隔离：2000 V RMS隔离，1分钟耐压。

2.2.2 ICE5GR4780AG概述

ICE5GR4780AG是英飞凌最新的第五代固定频率CoolSET™，用于评估板的辅助电源。其内部框图和典型的隔离反激应用展示了其工作原理和应用场景。该器件具有以下主要特性：

• 集成MOSFET：集成700 V/ 800 V雪崩坚固型CoolMOS™。
• 增强模式：增强型有源突发模式，可选择进入和退出待机功率。
• 频率优化：数字频率降低功能，提高整体系统效率。
• 快速启动：采用共源共栅配置实现快速启动。
• 多种工作模式：支持DCM和CCM操作，具备斜率补偿功能。
• 低EMI设计：频率抖动和软栅极驱动，降低电磁干扰。
• 软启动功能：内置数字软启动功能。
• 反馈支持：集成误差放大器，支持非隔离反激中的直接反馈。
• 全面保护：具备输入线路过压保护、VCC过压、VCC欠压、过载/开环、过温等全面保护功能，且所有保护均为自动重启模式。
• 充电电流限制：限制VCC短路到地的充电电流。

2.2.3 电机外部电流反馈配置和计算

评估板的电机外部电流反馈配置和计算基于基尔霍夫电压定律进行。通过对相关电路的分析和计算，得出电流输入值与分流电阻和外部电流感测放大器增益的关系。在EVAL-M1-101T和EVAL-M1-IM241的组合中，电流输入为83.3 mV/A。

三、系统设计

3.1 原理图

3.1.1 辅助电源

辅助电源原理图展示了其电路组成，采用了英飞凌最新的CoolSET™ 5（ICE5AR4780AG）和反激拓扑结构，可直接输出15 V和6 V电压。VCC连接到CIPOS™ IPM内部的栅极驱动器，线性电压调节器IFX25001ME V33从6 V电源生成3.3 V电压，用于逆变器外部过流比较器电路。VCC和3.3 V电压也通过20针iMOTION™ MADK-M1接口连接器X3为控制板上的电路供电。

3.1.2 逆变器部分

逆变器部分采用CIPOS™ Micro IPM实现，模块包含优化的反向导通IGBT Gen 2（RCD2）和行业基准的坚固半桥驱动器。分流电阻部分提供了不同的组合方式，可实现腿分流或单分流。三个电容器C24、C26和C33作为自举电容器，分别提供必要的浮动电源电压VBS1、VBS2和VBS3。

3.2 布局

评估板的PCB采用两层140 µm铜（2 oz.铜）设计，尺寸为100 mm × 100 mm，厚度为1.6 mm。通过提供的顶层装配图、底层装配图、顶层布线图和底层布线图，我们可以清晰地了解到评估板的布局结构，为PCB设计和优化提供了参考。

3.3 物料清单

评估板的完整物料清单可在英飞凌主页的下载部分获取，下载需要登录。文档中列出了一些重要/关键部件的物料清单，包括集成电路、电源转换模块、电容器、电感器等，为工程师进行物料采购和替换提供了方便。

3.4 连接器细节

文档详细介绍了评估板各个连接器的信息，包括交流输入连接器（X1）、电机UVW输出连接器（X2）和20针iMOTION™ MADK-M1接口连接器（X3）的引脚分配和功能说明。这些信息对于工程师进行电路连接和系统集成至关重要。

3.5 测试点

评估板上设置了多个测试点，用于信号测量。文档提供了测试点的分配信息，包括各个测试点的名称、功能和网络标签描述。工程师可以通过这些测试点对评估板的各项性能指标进行测试和验证。

四、系统性能

4.1 散热器热阻测试结果

通过使用直流电源导通IPM内部二极管，监测IPM的电流和电压以及外壳温度，计算出散热器到环境的热阻。测试结果表明，最终的外壳到环境热阻约为7°C/W。

4.2 输出能力测试结果

在不同的MADK输入功率和电机输出电流条件下，测试评估板的总输出功率能力。测试结果以模块外壳温度与输出功率的关系曲线形式呈现，为工程师在设计散热系统和确定电机功率时提供了重要参考。

4.3 PWM范围测试结果

在不同的PWM频率下测试评估板的输出能力。测试结果显示了在不同PWM频率下，评估板的输出能力变化情况，帮助工程师选择合适的PWM频率，以满足系统的性能要求。

4.4 过流保护

评估板的过流保护电路通过比较器将电流传感信号I_Shunt与设定值进行比较，当电机峰值电流超过设定值且持续时间超过输入滤波时间时，触发RFE信号，使GateKill信号有效，从而停止电机运行。对于iMOTION™ IMC1xx控制IC，有三种Gatekill输入源配置方式，不同配置方式下的工作原理有所不同。

4.5 短路保护

评估板的短路保护电路利用模块的ITRIP引脚实现，滤波时间设计为2.2 µs。测试结果给出了短路保护的响应时间参数，包括T_FL T、T_ITRIP和T_FL T - CLR，确保系统在短路情况下能够快速响应并保护设备安全。

4.6 EMI测试结果

在不同负载条件下进行EMI测试，测试结果表明评估板在10 kHz PWM、三相调制的条件下，对于GK6040电机，在0.28 A（20%）、0.7 A（50%）、1.4 A（100%）三种负载下均能通过EN55032标准，且有超过3 dB的余量，说明评估板具有良好的电磁兼容性。

五、参考和附录

5.1 缩写和定义

文档提供了一些常用缩写的含义解释，如CE（Conformite Europeenne）、EMI（Electromagnetic interference）、UL（Underwriters Laboratories）、GK（Gate kill）等，方便读者理解文档中的术语。

5.2 参考资料

列出了相关的参考资料，包括英飞凌IM241-L6T2B、IMC101T-T038的数据手册，MCEWizard和MCEDesigner的用户指南和应用指南，以及iMOTION™运动控制引擎软件参考手册等，为工程师进一步深入了解评估板和相关技术提供了参考依据。

5.3 订购详情和其他信息

评估板目前可接受小批量订单，文档提供了相关产品的订购信息，包括基本零件编号、封装形式、标准包装数量和可订购零件编号等。

综上所述，EVAL-M1-IM241评估板凭借其丰富的功能、出色的性能和详细的文档支持，为电机驱动应用的开发和测试提供了一个优秀的平台。无论是对于新手工程师还是经验丰富的专业人士，该评估板都具有很高的参考价值和实用意义。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对评估板进行进一步的优化和改进，以满足不同项目的要求。你在使用评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区留言分享。