EVAL-M1-05F310R评估板：助力电机驱动设计的利器

在电机驱动应用的设计领域，一款性能优良且易于使用的评估板能够为工程师们节省大量的时间和精力。今天，我们就来详细探讨一下英飞凌（Infineon）的EVAL-M1-05F310R评估板，它是模块化应用设计套件（MADK）的一部分，专为IRSM005 - 301MH设计，为电机驱动应用提供了全面的解决方案。

文件下载：Infineon Technologies EVAL-M1-05F310R iMOTION™ MADK评估板.pdf

评估板概述

EVAL-M1-05F310R是一款功率评估板，属于iMOTION™ MADK的一部分。它配备了iMOTION™标准接口M1连接器，以及三个用于电机驱动应用的CIPOS™ Nano 100 V半桥模块。该评估板旨在为使用IRSM005 - 301MH CIPOS™ Nano功率模块进行应用设计的客户提供支持，帮助他们在设计初期更好地了解和应用相关技术。

交付内容

评估板的交付内容包括一块成品板，它具备三相交流连接器、EMI滤波器和软上电电路、输入整流器、直流母线电容器以及用于连接电机的三相输出。此外，还配备了基于CoolSET™的辅助电源，可提供15V和3.3V的电压，以及用于电流感测和过流保护的单分流器，还有用于直流母线电压测量的分压器。用户可以直接使用所需的电源来操作该板，无需额外的组件。

主要特性

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

• MOSFET漏源电压为100V。
• 在25°C外壳温度下，最大直流电流$I_{D}=30 A$。
• 封装具有低热阻和最小的寄生电感。
• 独立的栅极驱动器与逻辑输入同相。
• 栅极驱动器电源为15V。
• 与3.3V逻辑输入兼容。
• 驱动器内部具有欠压锁定保护。
• 暴露的驱动器输出和HEXFET栅极端子，可通过电阻进行dv/dt设置。

技术参数

评估板的重要技术参数如下表所示：	参数	符号	条件	值	单位
输入电压	$V_{DC}$	较低的直流输入，电机功率输出较小	30 - 72	V
输入电流	$I_{DC(maxi)}$	输入直流48V，输出320W，$T_{a}=25°C$	6.7	A
三相功率	$P_{out(maxi)}$	在48VDC，$F{PWM}=9kHz$，$T{j}=25°C$，$T_{case}= 100°C$无散热片	320	W
每相电流	$I_{out(maxi)}$	在48VDC，$F{PWM}=9kHz$，$T{j}=25°C$，$T_{case}= 100°C$无散热片	6.5	A
最大直流母线电压	$V_{DC(maxi)}$		72	V
最小直流母线电压	$V_{DC(min)}$	辅助电源的欠压启动电压	30	V
分流电阻	$R_{16}$	逆变器电流感测电阻	5	mΩ
输出电流跳闸水平	$I_{trip}$	由外部比较器电路设置的水平	27	A
外壳温度跳闸水平	$T_{c}$	用户需考虑NTC传感器的温度差距，建议设置为100°C或更低	100	°C
辅助电源15V输出电压	$V_{out1}$	用于IPM	15 ± 5%	V
辅助电源15V输出电流	$I_{out1}$	最大输出电流	100	mA
辅助电源3.3V输出电压	$V_{out2}$	用于IMC控制器和保护电路	3.3 ± 5%	V
辅助电源3.3V输出电流	$I_{out2}$	最大输出电流	150	mA
PCB尺寸		长x宽x高（包括PCB支柱）	91x69x33	mm
PCB材料		FR4，1.6mm厚度，2oz.PCB，2层
环境温度	$T_{a}$	无冷凝，最大相对湿度75%	0 - 50	°C

系统与功能描述

启动系统

要运行电机系统，需要将iMOTION™ MADK功率板（EVAL-M1-05F310R）与匹配的MADK控制板（如EVAL-M1-101T）相结合。以下是启动系统的详细步骤：

1. 获取控制板和软件：从英飞凌网站（www.infineon.com/MADK）订购EVAL-M1-101T控制板，并从http://www.infineon.com/imotion-software下载最新的“IMC101T - T038 MCE软件包”。
2. 连接控制板和PC：通过USB电缆将PC连接到EVAL-M1-101T控制板，对控制板进行编程和调试。
3. 连接功率板和控制板：将EVAL-M1-101T的M1 20针接口连接器（J2）连接到功率板（如EVAL-M1-05F310R）。
4. 设置参数：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，然后点击“Calculate”按钮计算控制器的数字参数，并将驱动参数集保存到项目目录中。
5. 连接电机和电源：将电机的相输出连接到电机，将直流电源连接到功率输入连接器，然后开启系统电源。
6. 启动MCEDesigner：打开MCEDesigner工具，选择“File” > “Open”，打开IMC101T - T038控制器的默认配置文件（.irc）。
7. 连接控制板：MCEDesigner应自动使用默认COM端口连接到EVAL-M1-101T控制板。如果连接失败，可以在“System”窗口中选择“Preferences” > “Connection”，从下拉菜单中选择其他可用的COM端口。
8. 编程系统参数：点击“Tools” > “Programmer”，选择“Program Parameters”，浏览并选择步骤4中创建的系统驱动参数.txt文件。
9. 启动和停止电机：点击控制栏中的绿色交通灯按钮启动电机，点击红色交通灯按钮停止电机。

功能模块描述

评估板的电机逆变器由IRSM005 - 301MH模块实现，辅助电源基于CoolSET™：ICE5GR4780AG。

• IRSM005 - 301MH概述：该模块的主要特性前面已经介绍过，其绝对最大额定值如下表所示：	符号	描述	最小值	最大值	单位
  $V_{ps}$	MOSFET漏源电压		100	V
  $I_{o}$	每个MOSFET在$T_{c}= 25°C$时的最大直流电流		30	A
  $P_{d}$	每个MOSFET在$T_{c}=100°C$时的最大功耗		13.5	W
  $T_{j}$(MOSFET&IC)	工作结温		150	°C
  $T_{s}$	存储温度范围	-40	150	°C
  $V_{B}$	高端浮动电源电压	-0.3	$V_{s}+20$	V
  $V_{s}$	高端浮动电源偏移电压	$V_{B}-20$	$V_{B}+0.3$	V
  $V_{cc}$	低端固定电源电压	-0.3	20	V
  $V_{IN}$	LIN、HIN的低输入电压	-0.3	$V_{cc}+0.3V$	V

• ICE5GR4780AG概述：这是一款英飞凌的CoolSET™单功率芯片，具有高性能、高效率和易于使用的特点，适用于30 - 600V直流超宽电压范围的工业辅助电源。其主要特性包括：
  • 集成800V雪崩坚固型CoolMOS™。
  • 增强型有源突发模式，可选择进入和退出待机功率，实现最低待机功率<100mW。
  • 数字频率降低，提高整体系统效率。
  • 级联配置实现快速启动。
  • 具有斜率补偿的DCM和CCM操作。
  • 频率抖动和软栅极驱动，降低EMI。
  • 内置数字软启动。
  • 集成误差放大器，支持非隔离反激式的直接反馈。
  • 全面的保护功能，包括输入线过压保护、$V{CC}$过压、$V{CC}$欠压、过载/开环、过温保护，所有保护均为自动重启模式。
  • 限制$V_{CC}$短路到地的充电电流。

系统设计

逆变器部分

逆变器部分使用CIPOS™ Nano构建，采用三个半桥模块作为三相逆变器桥部分。每个半桥模块包含两个功率MOSFET和一个半桥栅极驱动器，同时还提供了分流电阻部分。三个电容器C4、C5和C6用作自举电容器，分别提供必要的浮动电源电压VBU、VBV和VBW。

DC - DC电源转换器

评估板上的辅助电源采用超级降压电路，由ICE5GR4780AG芯片直接从直流母线生成15V（VCC）电压，VCC连接到CIPOS™ Nano内部的栅极驱动器。线性稳压器TPS56043XF从VCC生成3.3V电压，用于过流比较器电路。红色LED1用于指示板是否通电。VCC和3.3V电压也通过20针接口连接器J3提供给控制板上的电路。

DC母线电压测量

连接器J3的引脚14可用于访问直流母线电压，该引脚有三种可能的反馈情况。R48是连接器打开时连接端口的安全电阻，直流母线感测的低端电阻为R48//R1（R1是EVAL-M1-101T上的下拉电阻），计算可得$sum R_{low side }=frac{1 M Omega × 13.3 k Omega}{1 M Omega+13.3 k Omega}=13.13 k Omega$。

电流感测和放大

评估板的电流反馈采用单分流感测方式，通过R16（5mΩ）进行感测。电流输出IU +和IU -连接到J3。一个由R20/R23/C14/C15组成的低通滤波器（LPF）用于去除R16上的EMC噪声，电流放大器由R18/R19/R20/R22/R23/C13和U1A组成，用于降低噪声并实现比例放大。放大器的增益为$G=frac{R 18+R 19+R 20}{R 19+R 20}=15.96$，电流缩放为$V{shunt }=R 16 × G=79.8 mV / A$，静态状态下$V{o}=frac{R 30 × 3.3 V}{R 26+R 29+R 30}=0.607 V$，响应时间$T{0}=frac{1}{frac{ GBWP{U 11 a}}{A-1}}=1.5 mu s$，R21用于匹配U11A输出的电阻。

电流反馈到控制板

电流信号从IU +到IU的衰减为$alpha=frac{R 6}{R 6+R 21+R 27}=0.833$，到IU输入的总增益为$sum G=alpha × G=13.29$，到IU输入的总电流缩放为$V_{shunt2 }=R 16 × sum G=66.4 mV / A$，到IU输入的电流偏移为$Voffset =(3.3 V-0.6 V) × frac{R 21+R 27}{R 6+R 21+R 27}+0.6 V=1.06 V$。由于控制板的ADC范围为3.3V，因此需要将控制板的内部增益设置为“1”。

OCP、GK和IOCP设置

评估板的过流保护（OCP）和栅极关断（GK）电路如下：

• OCP设置：施密特触发器（U11B）的阈值电压设置为$V{TriphTH }=frac{R 35}{R 32+R 35} × 3.3 V=1.98 V$，反射的过流阈值为$I{TriphTH }=frac{V{TriphTH}-V{o}}{V{shunt 1}}=17.2 A$，响应时间为$T{D}=R 25 × C 16=100 ns$。当分流电流超过17.2A时，U11B引脚7输出“0”。
• PWM关断和GK输出：U12A是比较器的缓冲电路。当发生过流时，U11B引脚7输出“0”，C23将快速充电，U12B输出逻辑“0”信号，这是所有PWM输入的关断信号，也是向控制板发送的栅极关断信号，通知控制板停止PWM输出。关断的总延迟时间为$sum T{D}=T{O}+T{D}=1.5 mu s+0.1 mu s=1.6 mu s$。当过流消除后，U11B将变为逻辑“1”，C23将通过R36充电，充电时间常数为$T{up }=R 36 × C 23=220 mu s$。对于每次过流，U12B将输出约220µs的“0”信号用于关断PWM和通知分支控制系统。
• MCEWizard中的OCP设置：EVAL-M1-101T具有内部比较器，默认阈值为1.8V（对应17A）。要根据EVAL-M1-05F310R板计算MCEWizard的过流保护阈值，可以使用以下公式计算电压阈值：$V{ref } =V{offset }+V{shunt 2} × I{O C P}=1.06 V+frac{66.4 mV / A × I_{O C P}}{1000}$。

NTC热敏电阻特性和过热保护计算

评估板上的NTC（R46）用于测量U2顶部的温度，以实现过热保护。该温度值将发送到EVAL-M1-101T。NTC的型号为NXRT 15WF 104FA1B。VTH输出值与温度的关系如图所示，MCEWizard中的设置也有相应的说明。

布局和物料清单

评估板的布局设计经过优化，适用于30 - 72V直流的主要家用和工业电器。所有板的设计数据，如原理图、Gerber和Altium设计数据，都可以在英飞凌主页上登录账户后下载。评估板的完整物料清单可在英飞凌主页的下载部分获取，登录后即可下载。关键组件如下表所示：	S.No.	Ref Designator	描述	制造商	制造商P/N
1	U1, U2, U3	CIPOS™ Nano	英飞凌	IRSM005 - 301MH
2	U14	CoolSET™	英飞凌	ICE5GR4780AG
3	D1, D2, D3, D7, D8, D9, D10, D11	二极管	英飞凌	BAS3005A - 02V
4	C1, C2	电解电容器	Wurth Elektronik	860240981008
5	L1	磁芯电感器	Wurth Elektronik	744731102
6	L2	磁芯电感器	Wurth Elektronik	74479777310A
7	R16	分流电阻		5mΩ
8	R50	NPT		NXRT - 5WF - 100k1%

连接器详情

评估板的连接器信息如下