REF_Fridge_D111T_MOS冰箱压缩机驱动参考设计套件使用指南

一、引言

在冰箱压缩机驱动设计领域，拥有高效、可靠的参考设计至关重要。REF_Fridge_D111T_MOS参考设计套件就是这样一款为冰箱压缩机驱动应用量身打造的解决方案。本文将详细介绍该套件的各个方面，包括其特点、功能、使用方法以及性能测试等内容，希望能为电子工程师们在冰箱压缩机驱动设计上提供有价值的参考。

文件下载：REFFRIDGED111TMOSTOBO1.pdf

二、关于文档

2.1 范围和目的

本用户指南主要介绍REF_Fridge_D111T_MOS参考设计板，涵盖其主要特性、关键数据、引脚分配、机械尺寸等，同时提供如何使用该板进行电机运行和设计的指导。该板是针对冰箱压缩机设计的完整参考设计，展示了英飞凌的整体解决方案，包括数字电机控制IC iMOTION™ Smart Driver IMD111T - 6F040和600 V CoolMOS™ PFD7超结MOSFET。

2.2 目标受众

本指南适用于使用REF_Fridge_D111T_MOS板进行冰箱压缩机驱动设计的技术专家。

2.3 参考板/套件说明

参考板是嵌入PCB的产品，专注于特定应用和用例，可能包含软件。PCB和辅助电路针对目标应用的要求进行了优化。但需注意，这些板不一定满足安全、EMI、质量标准（如UL、CE）要求。

三、重要注意事项

3.1 评估板和参考板性质

评估板和参考板仅用于演示和评估目的，并非商业化产品，不适合用于可靠性测试或生产。它们在设计时考虑了环境条件，但未针对安全要求、整个工作温度范围或使用寿命进行资格认证。英飞凌提供的评估板和参考板仅在典型负载条件下进行功能测试，在退货分析（RMA）、工艺变更通知（PCN）和产品停产（PD）方面与常规产品的处理程序不同。

3.2 用户责任

客户有责任评估评估板和参考板是否适合预期应用，并确保其使用符合所在国家的相关要求和标准。英飞凌对使用评估板和参考板及其提供的信息不承担任何责任，客户需自行承担因使用而产生的风险。

四、安全预防措施

4.1 高压风险

该板的直流母线电位高达400 VDC，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。此外，评估或参考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，需等待五分钟让电容器放电至安全电压水平。

4.2 其他注意事项

评估或参考板在测试时连接到电网输入，测量电压波形时需使用高压差分探头；在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的电源，并等待五分钟让母线电容器放电；测试时评估或参考板的散热器和设备表面可能变热，处理时需采取必要的预防措施；只有熟悉驱动器、电力电子和相关机械的人员才能进行系统的规划、安装、调试和维护；评估或参考板包含对静电放电（ESD）敏感的部件和组件，安装、测试、维护或修理时需采取静电控制预防措施；驱动器应用或安装不正确可能导致组件损坏或产品寿命缩短；评估或参考板发货时带有包装材料，安装前需移除，否则可能导致过热或异常运行条件。

五、参考板概览

5.1 交付内容

交付内容仅包含参考板，iMOTION™ Link电缆是调试必需的，但不包含在交付内容中，用户可根据需要进行订购。

5.2 框图

参考设计套件REF_Fridge_D111T_MOS的框图展示了其功能组成，包括EMI滤波器和整流器组、直流母线电容器、电机相连接器、CoolMOS™ MOSFET、辅助电源、IMD111T - 6F040、交流线路输入连接器、iMOTION™ Link连接器和频率输入信号连接器等。

5.3 主要特性

REF_Fridge_D111T_MOS是一款完整的冰箱压缩机应用参考设计板，具有以下主要特性：

• iMOTION™ Smart Driver IMD111T - 6F040：集成了高压栅极驱动器和电压调节器，具有5 V低压差稳压器（LDO），采用薄膜SOI技术的600 V栅极驱动器，集成超快自举二极管，采用节省空间的LQFP 40引脚封装，具备运动控制引擎（MCE），支持永磁同步电机（PMSM）的无传感器磁场定向控制（FOC）、灵活的空间矢量PWM、电机电流传感、可选的模拟或数字霍尔传感器接口以及灵活的主机接口选项等。
• 600 V CoolMOS™ PFD7：采用优化技术，具有最低的(Q_{rr})、ESD保护和紧凑的SOT223表面贴装器件（SMD）封装，系统解决方案可实现最佳轻载效率和紧凑设计。

5.4 板参数和技术数据

参考设计REF_Fridge_D111T_MOS的重要规格包括：	参数	符号	条件 / 注释	值	单位
操作输入电压	(V_{ac})	较低交流输入，电机功率输出较低	165 ~ 265	(V_{rms})
最大输入电流	(I_{ac(max)})	输入220 V AC，(T_a = 25^{circ}C)	1.7	(A_{rms})
最大输入功率	(P_{in(max)})	输入220 V AC，(f_{PWM} = 5 kHz)，(Ta = 25^{circ}C)，(T{case} = 100^{circ}C)无散热器	250	W
最大电机电流	(I_{mtr(max)})	输入220 V AC，(f_{PWM} = 5 kHz)，(Ta = 25^{circ}C)，(T{case} = 100^{circ}C)无散热器	0.69	(A_{rms})
最大直流母线电压	(V_{dc(max)})		400	V
分流电阻	(R_{sh})		250	(mOmega)
电流保护触发水平	(I_{trip})	在MCEWizard中设置	-	(A_{peak})
热保护水平	(T_{protection})	需考虑MOSFET外壳与NTC传感器的温度差，建议外壳温度最大设置为105°C，考虑温差在MCEWizard中设置为75°C	75	°C
辅助电源1 - 15V输出电压	(V_{out1})	用于IMD111T - 6F040，IMD111T - 6F040中集成5 V LDO	15 ± 5%	V
辅助电源1 - 15V最大输出电流	(I_{out1})		100	mA
PCB尺寸		长 × 宽 × 高	78×78×46	mm
PCB材料		1.6 mm厚度，1 oz.铜	FR4
环境温度	(T_a)	无冷凝，最大相对湿度95%	0 ~ 50	°C

六、系统和功能描述

6.1 调试

6.1.1 硬件连接

使用iMOTION™ Link电缆连接PC/调试器和电机驱动系统，同时连接交流电源和电机。iMOTION™ Link电缆提供1 kV直流电气隔离。

6.1.2 软件/固件准备

需要使用iMOTION™软件工具MCEDesigner和MCEWizard来设置系统、控制和微调系统性能。从英飞凌网站下载这些工具，并下载适合的MCE固件。使用MCEWizard输入目标电机的系统和运行参数以及参考板的硬件参数，生成参数文件。若有需要，还可生成脚本。

6.1.3 程序固件/参数/脚本

REF_Fridge_D111T_MOS参考设计套件发货时带有预编程的固件和默认参数，但用户需根据实际电机情况编程自己的参数。可选择分别编程MCE固件、系统和电机的参数集、客户脚本文件，也可使用MCEWizard组合的文件进行编程。编程过程包括启动MCEDesigner工具、为iMOTION™控制IC供电、连接到板、根据情况编程固件和参数等步骤。

6.1.4 开环诊断

通过双击“VF Diagnostic”功能并使用示波器监测电机电流，调整相关寄存器使电机电流呈现稳定的正弦波。还可通过监测电机电流反馈来验证电机连接、IGBT（或MOSFET）和栅极驱动器工作情况、电流传感相关参数配置以及PCB布局和直流母线去耦情况。诊断完成后，停止电机运行。

6.1.5 闭环运行

若开环诊断正常，可尝试闭环运行电机。启动电机后，检查电机旋转方向并进行调整。设置目标速度为最大速度的约50%，监测“(Iu) & (Flx_M)”轨迹，根据(Flx_M)的情况调整电机参数、速度环PI增益、磁通估计器时间常数和PLL PI带宽等。若需要重新编程新的参数文件，可选择“Program Parameters”选项。

6.2 功能块描述

6.2.1 逆变器阶段

逆变器部分采用600 V CoolMOS™ PFD7超结MOSFET，具有集成快速体二极管，确保设备的稳健性并减少客户的BOM。

6.2.2 DC总线传感和MCEWizard配置

DC总线传感电阻的高侧电阻为2 MΩ，低侧电阻为20 kΩ，默认DC总线传感电压在ADC输入上的范围为0到5 V，反映0到505 V的范围。需要在MCEWizard中配置硬件参数，可通过调整电容来优化(V_{dc})传感。

6.2.3 电流传感和过流保护

• 电流传感：该板的电流传感仅使用RC网络进行操作偏置和低通滤波，以降低成本。根据基尔霍夫电压定律，可得到电流传感的相关方程。在选择分流电阻和增益时需综合考虑功率损耗和ADC输入电压范围等因素。同时，由于没有外部运算放大器，需要仔细处理PCB的GND网络，以避免影响控制性能和增加可听噪声。
• 过流保护：IMD111T - 6F040可通过内部比较器检测过流情况，内部比较器的参考电平由内部DAC设置，可在MCEWizard中进行配置。

6.2.4 NTC传感和热保护

IMD111T - 6F040的35引脚用于NTC温度采样，板上连接有NTC。根据NTC的参数和典型值，可得到不同温度下的电压值。IMD111T内部集成了过温保护装置，可在MCEWizard中设置适当的触发水平。

6.2.5 频率信号接口

该板设计有频率信号接口，用于控制压缩机速度。有两种输入接口类型：方波接口（默认）和AC 220 V作为控制输入。典型的冰箱应用方波输入信号频率与电机速度的关系为：(f_n < 30)时电机停止；(30 ≤ f_n < 40)时为最小速度；(40 ≤ f_n < 150)时，电机速度为(30 * f_n)；(150 ≤ f_n < 200)时为最大速度；(f_n ≥ 200)时电机停止。

七、系统设计

7.1 原理图

主要功能块在前面已有介绍，感兴趣的客户可登录英飞凌网页下载设计文件以获取更多详细信息。

7.2 布局

该板采用两层设计，尺寸为78 mm × 78 mm，铜厚为1 oz.（35 µm）。设计使用Altium Designer完成，所有设计文件可在登录英飞凌网页后下载。设计时需注意热性能和接地布局，最大化集电极的铜面积可有效降低IGBT结温，由于电流采样是非差分且无运算放大器的，需仔细布局接地面积，确保数字地参考分流接地以保证采样噪声正确。

7.3 物料清单

完整的物料清单可在英飞凌主页的下载部分获取，需要登录才能下载。

7.4 连接器详情

详细介绍了各个连接器的引脚功能，包括AC线路连接器（J1）、频率输入信号连接器（J2）、电机侧连接器（J3）、接地连接器（J4）和iMOTION™ link连接器（J6）。

八、系统性能

8.1 热特性测试

基于两层FR4 PCB和1 oz.铜进行热特性测试，测试在(t{amb}=25^{circ}C)、(V{ac}=220 ~V)的条件下进行，记录不同输入功率下的输入电流，直到MOSFET外壳温度达到100°C，测试有5 kHz和16 kHz两种PWM频率，且仅采用三相调制模式。

8.2 MOSFET dV/dt测试

通过示波器测量MOSFET的开通和关断波形，计算dV/dt。当低侧MOSFET开通时，(V{ds} dV / dt = 8.7 ~V/ns)；关断时，(dV/dt = 8.3 ~V / ns)。用户可根据需要调整(R{g})值来控制MOSFET的dV/dt。

九、参考和附录

9.1 缩写和定义

介绍了一些常见缩写的含义，如CE（Conformité Européenne）、EMI（Electromagnetic interference）、UL（Underwriters Laboratories）。

9.2 参考文献

列出了相关产品的数据手册和用户指南的参考信息，方便用户进一步查阅。

9.3 附加信息

建议客户订购iMOTION™ Link以启动测试，并提供了相关工具和英飞凌组件的订购信息。

十、总结

REF_Fridge_D111T_MOS参考设计套件为冰箱压缩机驱动设计提供了一个全面且实用的解决方案。它集成了英飞凌的先进技术，具有丰富的功能和良好的性能。电子工程师们在使用该套件时，需要严格遵循安全预防措施，按照调试步骤进行操作，同时注意系统设计的各个方面，以确保设计出高效、可靠的冰箱压缩机驱动系统。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。