探索EVAL - M1 - IM535评估板：电机驱动的理想之选

在电机驱动应用领域，合适的评估板至关重要。今天，我们就来深入了解一下英飞凌（Infineon）的EVAL - M1 - IM535评估板，它是iMOTION™模块化应用设计套件（MADK）的一部分，专为电机驱动应用而设计。

文件下载：EVALM1IM535TOBO1.pdf

一、评估板概述

1.1 适用范围与预期受众

EVAL - M1 - IM535评估板主要用于电机驱动应用评估，适用于了解电机控制、中低功率电子转换器的技术专家，且仅适用于实验室环境。它搭配如EVAL - M1 - 101T等配备M1 20针接口连接器的控制板，展示了英飞凌的CIPOS™ Mini IPM技术和先进的运动控制引擎（MCE 2.0）技术，可用于永磁电机驱动。

1.2 重要注意事项

该评估板并非商业化产品，仅用于评估和测试。它在设计时考虑了环境条件，但未在安全要求、全工作温度范围或使用寿命方面进行合格认证。同时，它的测试仅在典型负载条件下进行，在退货分析（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。用户需确保其使用方式符合所在国家的相关要求和标准。

1.3 安全预防措施

使用该评估板时，务必注意以下安全事项：

• 该板的直流母线电位高达400 V DC，使用示波器测量电压波形时，必须使用高压差分探头，否则可能导致人身伤害或死亡。
• 评估板包含直流母线电容，主电源移除后需等待五分钟，待电容放电至安全电压水平后再操作，指示灯熄灭不代表电容已放电至安全水平。
• 测试时评估板连接到电网输入，测量电压波形时需使用高压差分探头。
• 断开或重新连接电线、进行维护工作前，需先移除或断开驱动器电源，并等待五分钟使母线电容放电。
• 测试时评估板的散热器和设备表面可能变热，操作时需采取必要的防护措施。
• 只有熟悉驱动器、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。
• 评估板包含对静电放电（ESD）敏感的部件和组件，安装、测试、维修时需采取静电控制措施。
• 驱动器应用或安装不当可能导致组件损坏或产品寿命缩短，布线或应用错误可能导致系统故障。
• 安装前需移除评估板的包装材料，否则可能导致过热或异常运行。

二、评估板特性

2.1 交付内容

EVAL - M1 - IM535评估板基于英飞凌的CIPOS™ Mini智能功率模块（IM535 - U6D IPM），提供易于使用的功率级。交付内容包括成品板，配备单相交流连接器、EMI滤波器、软启动电路、输入整流器、直流母线电容和三相输出，用于连接电机。此外，还包含基于CoolSET™的辅助电源，提供15 V和5 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。

2.2 框图

评估板的框图展示了其功能组，包括220 VAC及PE输入连接器、EMI滤波器、浪涌继电器控制、直流母线电容、直流母线连接器、UVW电机相连接器、辅助电源、iMOTION™ MADK M1连接器、电流传感运算放大器、过流和过温比较器、冷却风扇的DCDC、BLDC冷却风扇和散热器等。

2.3 主要特性

• 输入电压范围：85~265 VAC
• 最大输入和输出电流：20 A
• 最大电机功率输出：3000 W
• 板载EMI滤波器：有效减少电磁干扰
• 单分流电流传感运算放大器（OPA）：实现精确的电流测量
• 辅助电源：提供15 V和5 V电压
• 过流和过温保护：保障系统安全稳定运行
• 直流母线电压传感：实时监测母线电压
• 热敏电阻输出：用于温度监测
• PCB规格：166 mm × 166 mm，两层2 oz.铜，符合RoHS标准

2.4 板参数和技术数据

评估板的重要规格参数如下：	参数	符号	条件/注释	值	单位
输入电压	V ac	针对220 V AC应用优化设计，交流输入越低，电机功率输出越低	85 ~ 265	V rms
最大输入电流	I ac(max)	输入220 V AC ，环境温度Ta = 25°C	20	A rms
最大输入功率	P in(max)	输入220 V AC ，PWM频率f PWM = 6 kHz，Ta = 25°C，外壳温度T case = 105°C，强制冷却模式	3000	W
最大电机电流	I mtr(max)	输入220 V AC ，f PWM = 5 kHz，Ta = 25°C，T case = 105°C，强制冷却模式	20	A rms
最大直流母线电压	V dc(max)	直流母线电容为400 V，820µF X 4（或1000µF X 4）	400	V
最小直流母线电压	V dc(min)	辅助电源欠压启动电压	80	V
分流电阻	R sh	两个5 mΩ并联，外部OPA增益为10	2.5	mΩ
电机电流保护触发水平1	I trip	MCEWizard中OC触发水平设置，与分流电阻RS1和RS2以及电流传感偏置有关	30	A peak
电机电流保护触发水平2	I trip	硬件比较器过流保护，与分流电阻和LM393设置有关	36	A peak
热保护水平	T protection	需考虑结与NTC（负温度系数）传感器之间的温度差，建议设置为105°C或更低	105	°C
辅助电源1 - 15 V输出电压	V out1	用于IPM和冷却风扇	15 ± 5%	V
辅助电源1 - 15 V最大输出电流	I out1		450	mA
辅助电源2 - 5 V输出电压	V out2	用于IMC控制器和保护电路	5 ± 1%	V
辅助电源2 - 5 V最大输出电流	I out2		150	mA
PCB尺寸	长度 × 宽度 × 高度	166×166×62	mm
PCB材料		FR4，1.6 mm厚度，2 oz PCB
环境温度	T a	无冷凝，最大相对湿度95%	0 ~ 50	°C

三、系统和功能描述

3.1 启动EVAL - M1 - IN535

要运行电机系统，需要将iMOTION™ MADK功率板（EVAL - M1 - IM535）与匹配的MADK控制板（如EVAL - M1 - 101T）组合使用。如果使用EVAL - M1 - 101T控制板，需进行以下更改以更好地匹配EVAL - M1 - IM535的运算放大器电流传感：

• 移除EVAL - M1 - 101T的R6。
• 将EVAL - M1 - 101T的R7从2 kΩ更改为0欧姆。

启动电机的步骤如下：

1. 将EVAL - M1 - 101T控制板连接到EVAL - M1 - IM535，并将PC - USB连接器连接到EVAL - M1 - 101T。
2. 连接220 V AC电源和UVW输出到电机。
3. 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. 设置系统和运行参数后，进入“Verify & Save Page”，点击“Calculate Parameters”按钮。若无误，点击“Export to MCEDesigner file (.txt)”保存驱动参数集；若有错误，双击错误信息并调整相关参数。
5. 打开220 V AC电源，红色LED1和LED2亮起。
6. 启动MCEDesigner工具，点击“File” > “Open”，打开IMC101T设备的MCEDesigner默认配置文件（.irc）。
7. MCEDesigner应使用默认COM端口自动连接到EVAL - M1 - 101T板。若连接失败，可在“System Page”窗口中点击“Preferences > Connection > Connect using”，从下拉列表中选择其他可用COM端口。
8. 若IMC101T的固件已被擦除，会弹出警告信息，提示编程固件和参数文件。
9. 若为空白IC，点击系统页面，选择“Tools” > “Programmer”，选择“Program Firmware and Parameters”，浏览并选择步骤3中的.txt文件，将固件和参数文件编程到iMOTION™控制IC的内部闪存中。
10. 双击电机1页面的“VF Diagnostic”功能，用示波器监测电机电流。若电流不是正弦波，调整目标速度和Vd_Ext，直到示波器显示稳定的正弦电流，幅度为电机额定电流的30% - 50%。
11. 点击控制栏的绿色交通灯按钮（或双击电机1页面的“Start Motor”子功能）启动电机。
12. 检查电机旋转方向，若方向错误，调整UVW连接顺序或在MCE Designer中设置负目标速度。
13. 将目标速度设置为最大速度的50%，启动“Iu & Flx_M”跟踪，确保Flx_M在2000 - 2500范围内且稳定。
14. 若需要编程新的参数文件，可选择“Program Parameters”，无需再次编程固件。

3.2 功能模块描述

3.2.1 IM535 - U6D概述

IM535 - U6D是CIPOS™ Mini IPM，其主要特点包括：

• 3个半桥，采用TRENCHSTOP™ 30 A / 600 V和反并联二极管用于逆变器部分。
• 由于采用DCB，热阻极低。
• 坚固的SOI栅极驱动技术，对瞬态和负电压具有稳定性。
• 单传输时允许负电位高达VS = -11 V（VBS = 15 V）。
• 集成自举功能。
• 过流关断和内置温度监测。
• 欠压锁定，保护期间所有六个开关关闭。
• 低侧发射极引脚可用于相电流监测（开路发射极）。
• 防止交叉导通和睡眠功能。

3.2.2 ICE5AR4770BZS概述

ICE5AR4770BZS是英飞凌的第五代固定频率CoolSET™，采用DIP - 7封装，集成了700 V CoolMOS™超结MOSFET，具有高性能。其主要特点包括：

• 最大开关频率为100 kHz，集成700 V MOSFET。
• 通用宽输入范围（85 - 300 V AC）下功率输出可达15 W，采用DCM设计。
• 欠压启动保护，采用共源共栅配置实现快速稳健的启动操作。
• 3级可选的进入/退出有源突发模式配置文件（可选）。
• 内置数字软启动。
• 逐周期峰值电流限制。
• 支持DCM和CCM操作，具有斜率补偿。
• 集成误差放大器，支持非隔离反激拓扑的直接反馈。
• 负载降低时数字频率降低，提高效率。
• 频率抖动和软栅极驱动，降低EMI。
• VCC引脚短路到地时限制充电电流。
• 具有VCC过压、VCC欠压、过载/开路、过温保护等全面保护功能，所有保护功能均支持自动重启。

3.2.3 电机电流传感运算放大器配置和计算

为抑制功率板和MADK控制板之间的共模噪声，采用11 MHz轨到轨I/O CMOS OPA SGM721XN5进行电机电流传感。EVAL - M1 - IM535评估设计的默认配置为两个5 mΩ 2.5 W（2512封装）分流电阻和10倍外部增益OPA，即1 A电机电流产生25 mV电压到ADC输入，MCEWizard的“Motor1 Current Input Scaling”需输入25 mV/A。

外部放大器增益电路是基于SGM721XN5的典型差分放大器，具有输入低通滤波器（LPF）和运算偏置。输入差分模式LPF可抑制部分PWM开关噪声，默认LPF时间常数为470 ns，典型建立时间为0.1 - 0.5 us，具体取决于PCB布局、直流母线去耦电容和IGBT / MOS栅极驱动配置。

为提高共模噪声抑制能力，建议使用平衡差分放大器，即R33等于R26和R27的并联值。R26和R27的分压器为放大器提供运算偏置，影响最大电动电流和再生电流范围。根据默认配置，R26 = 22 k，R27 = 220 k，运算放大器在电机电流为零时输出454 mV，454 mV / 运算放大器增益 / RS1为最大允许再生电流。若选择1倍ADC内部增益，电机电流传感范围为4546 mV；若选择3倍ADC内部增益，范围为1212 mV。“Motor Rated Amps * Motoring Current Limit”应低于最大允许范围。

对于不工作在再生模式的应用（如空调），OPA输出偏置会浪费ADC的可用范围；对于需要更大再生电流范围的应用（如风扇应用），需根据再生要求增加放大器偏置。

四、系统设计

4.1 原理图

EVAL - M1 - IM535的原理图包括8 W隔离反激式电源和逆变器部分：

• 隔离反激式电源：基于ICE5AR4770BZS，为IPM和控制器板提供+15 V和+5 V输出。变压器T1基于EE16磁芯，额定功率为8 W，适用于大多数空调应用。R3、R5、R7和R8决定电源的欠压启动和欠压关闭电压，R10和R11用于感测最大峰值电流，R15、R16和R18决定+15 V和+7 V的输出电压。U5是冷却风扇速度的DC - DC控制器，R19、R23和R21可调整风扇初始速度和基于IPM温度的调整，VR1用于手动风扇速度调整。12 V继电器控制电源来自+15 V，通过D1和D2提供，精度不高。PC817用于反激式电源的初级隔离，可减少控制器板的共模噪声，提高电机电流传感的信噪比。
• 逆变器部分：包含IM535 - U6D及其外围电路。U6（SGM721）是典型的平衡差分放大器，增益为10倍，OPA偏置由R26和R27的分压器决定，C29、C27和C31影响总LPF带宽。U7A（LM393）用于过流保护，R50是调整过流阈值的主要电阻；U7B（LM393）用于过温保护，IPM内部NTC的上拉电阻是一个复杂网络，不建议更改U7B的硬件设置，可在MCEWizard中调整过温保护设置。J5用于Vdc母线电压测试或连接外部DC源或PFC电路。C54 - C57是直流母线电容，默认值为400 V，820 µF或1000 µF，若有外部380 V PFC或超过265 VAC输入，需更换为450 V电容。L5是共模扼流圈，是影响EMI性能的关键组件，PCB上放置了两个封装，适用于3 - 9 mH和18 - 23 A的共模电感。J2是20针接口，用于MADK控制板，仅引脚10和12（IU +和IU -）用于单分流电流传感（ISS来自OPA输出）。

4.2 布局

评估板采用两层70 µm铜（2 oz.铜），尺寸为166 mm × 166 mm，PCB厚度为1.6 mm。文档提供了顶层装配图以及顶层和底层的布线图。

4.3 物料清单

文档列出了评估板的主要部件，包括运算放大器、比较器、MOSFET、IPM、调节器、继电器、风扇、二极管桥、电容、电阻、电感等。完整的物料清单可在英飞凌主页的下载部分获取，下载需要登录。

4.4 连接器细节

• AC输入连接器（J4）：包含L（交流线路）、N（交流中性线）和PE