EVAL_6EDL7141_FOC_3SH 1 kW评估板：助力三相无刷直流电机驱动设计

在电子工程师的日常工作中，高效且可靠的电机驱动设计是一个重要的课题。今天，我们就来详细探讨一下英飞凌的EVAL_6EDL7141_FOC_3SH评估板，它在电池供电的三相无刷直流（BLDC）电机驱动方面有着出色的表现。

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一、评估板概述

EVAL_6EDL7141_FOC_3SH评估板采用了MOTIX™ 6EDL7141三相电机控制栅极驱动IC，搭配板载的XMC™微控制器、OBD以及IST011N06NM5 OptiMOS™ 5 60 V功率MOSFET，专为电池供电应用而设计。MOTIX™ 6EDL7141集成了降压转换器，可为数字逻辑提供3.3 V或5 V电源。板上为每个桥逆变器部分配备了一个0.5 mΩ的低端分流电阻，用于无传感器FOC操作，同时还设有霍尔传感器接口，方便用户开发基于霍尔传感器反馈的FOC算法。此外，评估板还配备了用于逆变器过流保护（OCP）的保险丝和反极性保护组件，并且集成了温度传感器和用户LED，进一步扩展了其功能。

二、重要注意事项与安全预防措施

（一）重要注意事项

英飞凌提供的评估板和参考板主要用于演示和评估目的，并非商业化产品。在设计过程中虽然考虑了环境条件，但这些板子仅按照文档描述进行了测试，在安全要求、整个工作温度范围或使用寿命内的制造和操作方面并未经过全面认证。它们仅在典型负载条件下进行功能测试，在退货材料分析（RMA）、工艺变更通知（PCN）和产品停产（PD）等方面与常规产品的处理流程不同。因此，评估板和参考板不能用于可靠性测试或生产，可能不符合CE或类似标准，用户需确保其操作符合所在国家的相关要求和标准。

（二）安全预防措施

在使用评估板时，务必注意以下安全事项：

1. 评估板的直流母线电位最高可达100 V DC，连接时要确保极性正确，使用示波器测量电压波形时需使用高压差分探头。
2. 评估板包含直流母线电容器，主电源移除后需要时间放电，在对驱动系统进行操作前，需等待五分钟，确保电容器放电至安全电压水平。
3. 测试时评估板连接到电网输入，使用示波器测量电压波形时必须使用高压差分探头。
4. 在断开或重新连接电线、进行维护工作之前，要先移除或断开驱动的电源，并等待五分钟让母线电容器放电。
5. 评估板的散热器和器件表面在测试过程中可能会发热，操作时需采取必要的防护措施。
6. 只有熟悉驱动、电力电子和相关机械的人员才能对系统进行规划、安装、调试和维护。
7. 评估板包含对静电放电（ESD）敏感的部件和组件，在安装、测试、维护或修理时需采取静电控制措施。

三、评估板参数与技术数据

评估板的参数和技术数据如下表所示：	Parameter	Symbol	Conditions	Value	Unit
Input DC voltage	VIN	DC voltage input	36~42	V
Buck output 12V	+12V	Maximum 1A output current	12+5%	V
LDO output5V	+5V	Maximum 300 mA output current	5+5%	V
Maximum inverter switching frequency	fsw	Vcc=12V	20	kHz
Maximum output phase current	Iphase_peak	TA=25°C,Te=100°, air cooling,fsw=20 kHz	282	Apeak
Maximum output power	PouT	Sufficient cooing appled to maintain MOSFET temperature below 125	1000	W
Maximum output power with heatsink	PoUT	With supplied heatsink as tested	1000	W
Peak output power with heatsink	PouT	Peak power for 2 minutes with heatsink, or maintain MOSFE temperature below 125° with forced air cooling	1500	W
PCB characteristics
Material		1.6 mm thickness, 2 oz.copper each layer, six layers	FR4
Dimensions		Length x width	76.2x101.6	mm

这些参数为工程师在设计和应用评估板时提供了重要的参考依据。

四、主要特性

（一）功率器件与输入电压

三相逆变器的每个桥臂采用单个sTOLL功率MOSFET，输入电压标称值为36 V，最大值为42 V，能够满足大多数电池供电应用的需求。

（二）功率输出

评估板具有1000 W的连续功率输出能力，搭配散热器时，峰值功率可达1500 W（持续2分钟），能够为电机提供充足的动力。

（三）保护功能

配备了用于OCP的保险丝和反极性保护组件，有效保护评估板和电机免受电流过大和极性错误的影响。

（四）电源供应

评估板可通过集成的降压转换器和LDO为数字逻辑提供3.3 V或5.0 V的电源，方便与各种数字电路集成。

（五）调试与控制

板载的调试器采用SEGGER J-Link技术，结合英飞凌的电机控制GUI，为工程师提供了便捷的调试和控制接口。

（六）控制方式

硬件支持基于霍尔传感器或反电动势的无刷直流电机控制，同时也支持FOC控制，为不同的应用场景提供了灵活的选择。

五、硬件设计

（一）整体布局

评估板的PCB分为三个逻辑部分：OBD部分、数字控制部分和功率逆变部分。底部逆变器部分安装了铝制散热器，散热器与MOSFET之间使用导热绝缘材料（TIM）隔离，避免短路并提高散热效率。

（二）电源供应

集成的降压转换器可配置为7、10、12或15 V，用于驱动电荷泵和内部集成的LDO，频率可配置为500 kHz或1 MHz。LDO可配置为提供5 V或3.3 V电源，最大输出电流为300 mA。在本评估板中，降压转换器配置为输出12 V（500 kHz），LDO为XMC1404微控制器供电时设置为5 V，可通过硬件电阻R44或GUI设置进行更改。

（三）栅极驱动器

采用英飞凌的MOTIX™ 6EDL7141智能栅极驱动IC，用于驱动三相逆变器的MOSFET，其栅极驱动架构如图所示，为电机驱动提供了稳定可靠的控制。

六、控制与固件

（一）磁场定向控制（FOC）

评估板采用了FOC控制方法，也称为矢量控制。FOC通过生成三相正弦信号，在高功率应用中最大限度地提高逆变器的效率。英飞凌的FOC算法需要实时反馈电流和转子位置信息，通过逆变器每条腿上的单个分流器提供相电流反馈。同时，评估板也支持基于霍尔传感器反馈的FOC算法，用户可根据需求进行开发。此外，英飞凌的专有FOC算法参数可进行调整，实现从V/F开环到闭环FOC的平滑过渡。

（二）PID调节

评估板的电机控制GUI提供了PID调节选项，用于优化系统的控制和反馈。P-I控制器是一种常用的反馈控制机制，通过不断计算设定值与实际测量值之间的误差，将误差值分别输入比例计算器和积分计算器，然后将结果相加得到控制值，用于调整输出以匹配设定值。目标是优化KP和K1的值，使系统在速度变化时实现最小的延迟和过冲。

七、系统操作

（一）系统启动

评估板只需一个36 - 42 V的电源即可启动，MOTIX™ 6EDL7141内部集成的降压转换器和LDO将提供MOSFET栅极电压和数字逻辑电压。电机速度可通过调节硬件POT1或通过GUI软件进行控制，栅极驱动器的参数可使用BPA电机控制GUI进行编程和修改。

（二）运行波形

在3700 RPM、36 V输入电压和1000 W输入功率的条件下，给出了逆变器开关波形的详细信息。启动时，GUI可配置为从开环开始，达到初始用户配置的电机速度后过渡到闭环控制。同时，也可通过GUI将启动方法配置为直接FOC控制。

（三）功率测量

在输入功率为500 W、36 V输入电压的情况下进行了输入和输出测量，结果显示总输入功率为1071.19 W，总输出功率为487.5 W，效率为[具体效率值]。

（四）热测量

在输入功率为1000 W、36 V输入电压的条件下运行12分钟后，对评估板的各个部件进行了热测量。结果显示，MOSFET、分流器和IC等部件的温度在可接受范围内，表明评估板的散热设计能够有效保证系统的稳定性。

八、原理图与PCB布局

（一）原理图

文档提供了MOTIX™ 6EDL7141、电池输入和逆变器、板载调试器以及XMC1404等部分的原理图，为工程师进行电路分析和故障排除提供了详细的参考。

（二）PCB布局

评估板的PCB采用六层设计，每层厚度为1.6 mm，铜厚为2 oz，尺寸为76.2 x 101.6 mm，材料为FR4。PCB逻辑上分为三个区域：数字调试部分、数字控制部分和三相逆变部分。布局优化了FOC电流传感，将CS路径布线到中间层，并与相邻层的接地层配合，减少了电气噪声的影响。同时，采用了过孔填铜（VIPPO）技术，提高了垂直散热性能和功率耗散能力。

（三）物料清单

文档提供了评估板的完整物料清单，包括电容器、二极管、电阻器、IC、MOSFET等各种元件的详细信息，方便工程师进行采购和替换。

九、总结

EVAL_6EDL7141_FOC_3SH评估板为电池供电的三相无刷直流电机驱动设计提供了一个全面、高效且可靠的解决方案。其丰富的功能、灵活的控制方式和便捷的调试接口，为工程师在电机驱动领域的开发和应用提供了有力的支持。在实际应用中，工程师可根据具体需求对评估板进行定制和优化，以满足不同的应用场景。同时，在使用过程中务必严格遵守重要注意事项和安全预防措施，确保系统的安全可靠运行。

以上就是关于EVAL_6EDL7141_FOC_3SH评估板的详细介绍，希望对各位电子工程师有所帮助。如果你在使用过程中有任何问题或经验分享，欢迎在评论区留言交流。