EPC9146电机驱动板：快速入门与应用指南

在电子工程师的日常工作中，电机驱动板的设计与应用是一个重要的领域。今天，我们将深入探讨EPC9146电机驱动板，这是一款功能强大且应用广泛的3相无刷直流（BLDC）电机驱动逆变器板。

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1. 产品概述

EPC9146演示板是一款3相BLDC电机驱动逆变器板，包含三个独立控制的半桥电路，采用了EPC2152单片ePower™级集成栅极驱动器，最大器件电压为80V，最大输出电流为15A（峰值）或10.5A（均方根值）。该板还可配置用于多相直流 - 直流转换，EPC2152支持高达3MHz的PWM开关频率。板上包含了支持完整电机驱动逆变器所需的所有关键功能电路，如集成栅极驱动器的单片功率级、用于内部电源的稳压辅助电源轨、电压和温度感应、精确的电流感应以及保护功能。

2. 主要特性

2.1 电路与电压特性

• 宽输入电压范围：三个独立的GaN IC半桥电路，输入电压范围为12V至60V，尺寸为81mm×75mm（包括连接器）。
• 低失真开关：低失真开关特性可降低电机音频发射并减少转矩脉动。
• dv/dt优化：针对电机驱动优化了dv/dt，小于10V/ns，同时可根据直流 - 直流应用需求增加dv/dt。

2.2 感应与保护特性

• 高精度电流感应：所有相电流感应具有高精度和高带宽（三个串联电流传感器）。
• 全面电压感应：所有相电压感应以及直流电源的电压和电流感应。
• 内部电源：从主电源获取内部电源，为各种电路和外部控制器供电。
• 保护功能：具备过温、过流和输入电源欠压锁定等保护功能。

2.3 接口与滤波特性

• 编码器接口：提供轴编码器/霍尔传感器接口连接器，用于电机驱动应用，有两种电压电平选择。
• L - C滤波：支持谐波和EMI滤波（电机驱动应用可选）。
• 可配置性：该板还可配置为同步降压直流 - 直流转换器。

3. 推荐工作条件

符号	参数	条件	最小值	标称值	最大值	单位
VIN	输入电源电压		14	48	60	V
IPhase	相电流1			10.5	15	ARMS
fsw	开关频率		20	100	3000	kHz
VIN_uvlo	输入欠压锁定电压			14		V
VIN_uvlo_hys	输入欠压锁定电压滞后			1.64
VIH	PWM高电平逻辑阈值	PWM上升沿	2.4
VIL	PWM低电平逻辑阈值	PWM下降沿			0.8
VIHyst		VIH上升 - VIL下降		0.5
Rin	PWM输入下拉电阻			10		kΩ
PWmin	最小输入脉冲宽度	50%电平到50%电平		20		ns
tProp_delay	PWM输入到开关节点转换延迟	高端/低端开/关		25
VIsns_range	相电流感应电压动态范围	Imax到Imax	0		3.3	V
Isns_range	相电流感应动态范围	分流电阻 = 1.5mΩ，电流感应放大器增益 = 50	-22		22	AV
Iovc	正过流阈值			21.3
VIsns_offset	放大后的电流感应信号偏移电压	分流电阻 = 1.5mΩ，电流感应放大器增益 = 50，Iphase = 0A		1.65
GIsns	放大后的电流感应增益	分流电阻 = 1.5mΩ，电流感应放大器增益 = 50。当电流进入逆变器时，VIsns - VIsns_offset为正		75		mV/A
GVsns	相和直流电压感应增益			40.5		mV/V

4. 关键部件解析

4.1 功率级

EPC9146采用三个独立可控的EPC2152单片ePower™级半桥电路，集成了栅极驱动器，可独立控制。如需了解EPC2152的更多信息，请参考EPC官网（www.epc - co.com）上的 datasheet。

4.2 板载电源

板上包括逻辑和栅极驱动器的内部电源，由逆变器板的主输入电源供电。3.3V控制器电源电压也提供给控制器连接器（J60），可通过移除跳线（JP61）断开。

4.3 电流和电压感应

• 电流感应：逆变器配备了所有相和直流输入的电压和电流感应。每个输出相使用1.5mΩ的分流电阻（SHNT_Fx）进行在线测量，并通过INA240A2双向电流感应放大器进行放大，总增益为75mV/A。电流感应放大器的带宽为400kHz，适用于100kHz开关频率下的精确电机控制操作。输入直流电流从电源侧测量，规格与相电流测量相同。分流放大器为双向，确保覆盖全四象限操作。
• 电压感应：主输入直流电源电压和每个相电压使用电阻分压器网络（R1_Fx，R2_Fx）进行测量，总增益为40.5mV/V。

4.4 相位滤波器

每个相都提供了L - C - R滤波器（L1_Fx，CF1_Fx_CF2_Fx，RF1_Fx，RF2_Fx）的配置。默认配置下，电容器和电阻器未安装，电感器通过低电阻分流器短路。用户可以根据需要配置自己的滤波器网络，该滤波器可配置为谐波滤波器或EMI滤波器，用于电机驱动应用。对于直流 - 直流应用，滤波器电感器可设计为降压转换器。此外，还在线路中安装了铁氧体磁珠（FB1_Fx，FB2_Fx）以进一步降低EMI发射。

4.5 温度传感器

EPC9146板配备了温度传感器（U40 - AD590），位于散热器下方中央位置，通过以下公式报告与测量温度成比例的模拟电压读数： [T=left(frac{V cdot 1000}{7.87}right)-273.16left[^{circ} Cright]] 为了实现散热器的最佳温度报告，可在传感器和散热器之间添加热界面材料（TIM）。

4.6 连接和控制器匹配选项

使用40针连接器在接口控制板和EPC9146电机驱动逆变器之间连接电源、PWM信号和模拟反馈信号。具体的引脚分配如下表所示：	引脚编号	引脚名称		引脚编号
2	PWMH1	GND	1
4	PWML1	GND	3
6	PWMH2	GND	5
8	PWML2	GND	7
10	PWMH3	3V3	9
12	PWML3	3V3	11
14	EncA	3V3	13
	索引槽
18	EncB	GND	17
20	EncI	GND	19
22	Vin	GND	21
24	V1	GND	23
26	V2	GND	25
28	V3	GND	27
30	Iin	GND	29
32	I1	GND	31
34	I2	GND	33
36	I3	GND	35
38	EN/Pgood	OC_FLT/ (1)	37
40	Tsns	LEDact	39

4.7 LED指示灯

EPC9146有多个LED指示灯，用于指示各种电源电压的状态：

• 12V LED（橙色）：指示12V电源正常工作。
• 5V LED（黄色）：指示5V电源正常工作。
• 3.3V LED（绿色）：指示3.3V电源正常工作。

4.8 测试点

板上提供了多个测试点，方便测量各种节点的电压：

• TP1：12V电源触摸点。
• TP2：5V电源触摸点。
• TP3：3V3电源触摸点。
• TP4：过流检测触摸点。
• TP5 - TP7：分别为相1、相2、相3电压的SMD连接点。
• TP9 - TP11：分别为轴编码器A或霍尔A信号、轴编码器B或霍尔B信号、轴编码器索引或霍尔C信号的触摸点。

4.9 过流保护

EPC9146包含过流检测电路，当任何一相电流测量值超过21.3A时触发。过流触发后，低电平有效的OC信号将在短时间内保持低电平，具体时间由R5 + R8和C17的RC时间常数决定。如果安装了跳线J62，所有PWM信号将与栅极驱动器断开。通过安装R803（默认未安装），OC检测信号可以传递给控制器作为OC_FLT。需要注意的是，控制器不应加载OC信号，应使用高输入阻抗电路读取状态，否则会影响复位时间或使逆变器处于永久过流状态。

4.10 跳线设置

EPC9146提供了两个跳线，其功能如下表所示：	跳线	安装	打开
J61	将3.3V连接到控制器	断开3.3V与控制器的连接
J62	过流检测电路独立于微控制器禁用PWM信号	过流检测电路不独立于微控制器禁用PWM信号。在这种情况下，必须安装R308，并且微控制器必须及时响应过流检测

4.11 轴编码器/霍尔效应传感器

连接器（J80）用于将轴编码器连接到EPC9146电机驱动逆变器，该编码器与光学正交编码器或霍尔效应传感器兼容，并为编码器提供电源电压。可通过安装相应的电阻选择可用的电压：使用R80选择12V，使用R81（默认）选择5V，使用R82选择3.3V。滤波后的信号将提供给控制器连接器（J60）。

4.12 兼容控制器

以下是与EPC9146兼容的电机驱动逆变器控制器列表：	控制器板编号	控制器制造商	控制器	目标应用
EPC9147A Rev. 2.0	Microchip MA330031 - 2	dsPIC33EP256MC506	电机驱动
EPC9147B Rev. 1.0	Texas Instruments LAUNCHXL - F28379D	TMS320F2837xD	电机驱动
EPC9147C Rev. 1.0	ST Microelectronics	NUCLEO - G431RB NUCLEO - G474RE	电机驱动
EPC9147E Rev. 2.0	通用接口板	N/A	电机驱动或直流 - 直流转换器
EPC9528 Rev. 3.0	通用控制器板	dsPIC33CK256MP503	直流 - 直流转换器

5. 应用配置

5.1 电机驱动逆变器

EPC9146的主要应用场景是3相BLDC电机驱动逆变器，可用于无传感器或轴编码器传感器配置。用户可以根据表中提供的电机驱动控制器选项进行选择，这些选项利用现有资源，简化和加速了开发和评估过程。在默认配置下，EPC9146与EPC9147A配对，预先编程为使用无传感器磁场定向控制和空间矢量脉宽调制（SVPWM），为Teknic M - 3411P - LN - 08D的NEMA 34尺寸电机供电和控制，直流电源电压为48V。

5.2 多相同步降压转换器

EPC9146还可配置为2相或3相的多相同步降压转换器。配置为2相转换器时，用户可以选择任何输出组合，但应根据所选工作频率使用合适的板上电感器焊盘分配。在这种配置下，需要移除Y电容器（CY），并使用能够承载额定负载电流的导体短路焊盘。接地连接变为接地（GNDP）返回，输出电压可使用任何相电压测试点（TP5、TP6或TP7）相对于接地（GNDP）使用TP8进行测量。

5.3 全桥同步降压转换器

EPC9146也可配置为全桥转换器，可使用三个相中的任意两个。由于全桥转换器不直接参考接地（GNDP），用户必须采取适当措施确保正确的负载连接。输出电压可使用相应的相电压测试点（TP5、TP6或TP7）进行测量，测量时需要确保测量系统隔离。或者，也可以使用与多相转换器相同的方法，使用公共接地（GNDP）并从一个信号中减去另一个信号来测量输出电压。EPC9528控制器最适合将EPC9146作为直流 - 直流转换器进行控制。

6. 快速启动步骤

以下是使用EPC9146和控制器板操作电机的快速启动步骤：

1. 将EPC9146与表中适用的控制器接口板配对，并查看相应控制接口板的快速启动指南（QSG）以获取详细操作步骤。
2. 将参数已编程到控制器中的正确电机连接到EPC9146的连接器J1，并将直流电源连接到连接器J90（注意极性）。
3. 将主电源电压预设到工作电压，打开电源，观察电源LED亮起。按下启动/停止按钮启动电机旋转。通过按下或调整相应的按钮、旋钮或软件设置来调整电机的速度和方向。需要注意的是，用户界面（按钮和旋钮）未隔离，在处理高电压时应采取适当的预防措施。
4. 电机运行后，进行必要的测量。
5. 关机时，按下启动/停止按钮停止电机旋转，然后关闭主直流电源。

7. 热考虑

EPC9146适用于室温环境下的台式评估，可采用自然对流或强制风冷。添加散热器可以显著改善eGaN IC的散热效果，提高这些器件的电流容量，同时确保不超过绝对最大管芯温度150°C。

板上配备了四个机械垫片（S1、S2、S3、S4），可用于轻松安装标准四分之一砖转换器散热器。安装散热器时，可能需要添加一层薄绝缘层，以防止散热器与电容器和电阻器等暴露导体的组件短路。需要在绝缘体上提供一个方形开口，以便热界面材料（TIM）能够放置在需要冷却的FET上，矩形的每侧与FET之间至少有3mm的间隙。

TIM的选择需要考虑以下特性：

• 机械顺应性：在安装散热器时，TIM会从原始厚度压缩到垫片和FET之间的垂直间隙距离。建议最大压缩比为2:1，以实现最佳热性能并限制机械力，从而最大限度地提高热机械可靠性。
• 电气绝缘：eGaN FET的背面是连接到源极的硅衬底，因此半桥配置中的上FET连接到开关节点。为了防止