REF_Fridge_D111T_RC2_SL冰箱压缩机驱动参考设计套件详解

在冰箱压缩机驱动设计领域，Infineon的REF_Fridge_D111T_RC2_SL参考设计套件为工程师们提供了一个优秀的解决方案。本文将深入剖析该套件，为电子工程师们在冰箱压缩机驱动设计方面提供有价值的参考。

文件下载：REFFRIDGED111TRC2SLTOBO1.pdf

套件概述

REF_Fridge_D111T_RC2_SL是iMOTION™电机驱动参考设计套件的一部分，专为冰箱压缩机驱动应用而设计。它结合了英飞凌的全套产品，如最新的RC - D2 IGBT和电机控制驱动器iMOTION™ IMD111T - F040，能够轻松转化为冰箱压缩机的量产板，加速开发阶段，实现快速上市。

需要注意的是，该套件虽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内的制造和运行方面进行资格认证，仅进行了功能测试，且与常规产品在退货分析（RMA）、工艺变更通知（PCN）和产品停产（PD）等程序上有所不同，仅适用于实验室条件下的专业人员使用。

套件内容与特性

交付内容

交付内容仅包含电路板，具体订购信息如下表所示：	Base part number	Package	Standard pack	Orderable part number
Form	Quantity
REF_Fridge_D111T_RC2_SL	Boxed	1	REFFRIDGED111TRC2SLTOBO1

此外，用于调试板载固件的iMOTION™ Link不在交付范围内，可根据文档第5.3节的详细信息单独订购。

主要特性

• iMOTION™ Driver IMD111T - 6F040：这是一款现成的运动控制器，配备脚本引擎和6通道绝缘体上硅（SOI）驱动器。具有运动控制引擎（MCE 2.0），支持单或双分流电流测量、电机控制算法（无传感器/基于霍尔的FOC）以及可选的升压和图腾柱PFC控制。同时具备保护功能，如死区时间插入和直通防止、过流/过压/欠压锁定等。采用600 V阻断电压的高压三相栅极驱动器，栅极驱动器供电电压为15 V，封装为LQFP - 40。
• RCD2 - 600 V IGBT：具有最低的EMI和损耗，是RC - DF IGBT的继任者。二极管单片集成，适用于消费级驱动器。优化了二极管的电流额定值，在价格和性能方面更具竞争力。引入了SOT - 223封装，尺寸更小，价格更优，且与DPAK封装引脚兼容可替换。与RC - DF相比，具有价格竞争力、足够的di/dt可控性以减少电磁噪声、改进的湿度鲁棒性（通过HV - H3TRB测试）以及4 A至15 A电流等级的广泛产品组合。

电路板参数与技术数据

Parameter	Symbol	Conditions / comments	Value	Unit
Operation input voltage	V ac	Lower AC input, less motor power output	165 ~ 270	V rms
Maximum input current	I ac(max)	Input 220 V AC, T a = 25 C	1.8	A rms
Maximum input power	P in(max)	Input 220 V AC, f PWM = 5 kHz, T a = 25°C, T case = 100°C without heat sink	250	W
Maximum motor current	I mtr(max)	Input 220 V AC, f PWM = 5 kHz, T a = 25°C, T case = 100°C without heat sink	1.2	A rms
Maximum DC bus voltage	V dc(max)		400	V
Shunt resistance	R sh		250	mΩ
Current protection trigger level	I trip	Set in the MCEWizard	-	A peak
Thermal protection level	T protection	Recommended is a setting of maximum 105°C for the case temperature of IGBT, considering the gap, set 100°C in the MCEWizard	105	°C
Output voltage (Auxiliary power supply 1 – 15 V)	V out1	Used for IMD111T - 6F040, integrate 5 V LDO in the IMD111T - 6F040	15 ± 5%	V
Maximum output current (Auxiliary power supply 1 – 15 V)	I out1		100	mA
Dimension (PCB characteristics)		Length × width × height	115 × 105 × 40	mm
Material (PCB characteristics)		1.6 mm thickness, 1 oz. copper	FR4
Ambient temperature (System environment)	T a	Non - condensing, maximum RH of 95%	0 ~ 50	°C

系统调试与功能描述

调试步骤

硬件连接

需使用iMOTION™ Link电缆，以1 kV直流隔离桥接PC/调试器端和电机驱动系统（目标iMOTION™设备，热端）。具体步骤为：将iMOTION™ Link的8针电缆按默认引脚顺序连接到X7，再用USB线连接PC和iMOTION™ Link；然后连接交流电源（X1）和电机（X2）。

软件/固件准备

1. 需使用iMOTION™软件工具MCEDesigner和MCEWizard来设置系统、控制和微调系统性能，可从英飞凌网站（http://www.infineon.com/imotion - software）下载，并定期检查工具/软件更新。
2. 从网站下载MCE固件，根据需求选择合适版本，包中包含固件（‘.ldf’）、默认参数（‘.txt’）、默认映射文件（‘.map’）、MCEDesigner文件（‘.irc’）等文档。
3. 生成参数文件：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，计算控制器的数字参数集，代表完整的电机驱动系统。设置完成后，进入“Verify & Save Page”，点击“Calculate”按钮，若无误则点击“Export to Designer file (.txt)”保存驱动参数集；若有错误，双击错误信息（红色高亮）并调整相关参数。登录myInfineon后可下载该板的默认MCEWizard文件（.mc2），只需修改与电机相关的参数即可。
4. 若有脚本，可生成脚本。首次运行板时，建议先不使用此功能，待电机性能调试完成后再添加。

编程固件/参数/脚本

REF_Fridge_D111T_RC2_SL参考设计套件在发货前已进行功能测试，预编程了固件和默认参数，但用户需根据电机不同进行参数编程。编程步骤如下：

1. 启动MCEDesigner工具，点击“File” > “Open”打开IMD111T设备的MCEDesigner默认配置文件（‘.irc’）。
2. 用3.3 V为iMOTION™控制IC供电，建议使用iMOTION™ Link提供的3.3 V隔离电源，iMOTION™ Link上有开关可启用3.3 V输出。交流电源供电后，板载辅助电源也会为IC供电，但需注意高压。
3. iMOTION™控制IC通电后，MCEDesigner应自动使用默认COM端口连接到板（MCEDesigner GUI底部框架中“COMx Up”状态旁的绿色圆圈表示）。若因COM端口错误无法连接，可点击“System Page”窗口，再点击“Preferences > Connection > Connect using”，从下拉列表中选择其他可用COM端口。
4. 若IMD111T - 6F040的固件已被擦除，会弹出警告信息“Target device firmware and parameters file are not programmed! Please program firmware and parameters file”，此时可按步骤5编程固件和参数；若不是空白IC，则无此信息。
5. 点击系统页面，点击“Tools” > “Programmer”，选择“Program Firmware and Parameters”，将固件和参数文件编程到iMOTION™控制IC的内部闪存中。加密固件可在“IMD111T MCE Software Package”中找到，参数文件浏览并选择第2.1.2节中的’.txt’文件。

开环诊断

双击电机1窗口中的“VF Diagnostic”功能，用示波器监测电机电流。若电机电流不是正弦波，更改VF Diagnostic子功能中的寄存器TargetSpeed和Vd_Ext，再双击“VF Diagnostic”，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%。双击系统页面 > 监测定义中的“Iu & Iv_Slow”，电机电流反馈应干净且呈正弦波；否则，需在MCEWizard中调整“Gating Propagation Delay & Phase Shift Window Size”。“VF Diagnostic”子功能可验证电机连接是否正确、功率级是否按预期工作、电流传感相关参数是否正确配置以及PCB布局和直流母线去耦是否正确。完成“VF Diagnostic”后，点击STOP按钮（红色交通灯按钮）或运行“stop motor”功能停止电机。

闭环运行

若VF诊断正常，硬件电路和信号采样将正常工作，此时可尝试闭环运行电机，步骤如下：

1. 点击控制栏中的绿色交通灯按钮（或双击电机1窗口中的Start Motor子功能）启动电机。
2. 检查电机旋转方向，若方向错误，调整电机绕组的连接顺序或在MCEDesigner中设置负的TargetSpeed。
3. 将TargetSpeed设置为最大速度的约50%，启动“Iu & Flx_M”跟踪，设置“Auto Repeat on Level”。Flx_M应在2000 - 2500范围内（额定值为2048），且稳定呈直流状。若Flx_M不稳定（摆动或振荡），需检查电机参数、速度环PI增益、磁通估计器时间常数和PLL PI带宽（参数PLLKp和PLLKi）及相关设置；若FlxM噪声大，需检查电流反馈和(V{dc})相关的硬件和参数；若FlxM未接近2048，需在MCEWizard中调整“Motor Back EMF Constant (((K{e})^{prime prime}) )”。
4. 若仅需编程新的参数文件，可按第2.1.3节的说明操作，此时无需再次编程固件，可选择“Program Parameters”。

功能模块描述

逆变器级

逆变器部分采用DPAK封装的最新一代RC - D2 IGBT。600 V RC - D2是RC - D/DF IGBT的继任者，与旧版本相比，具有更好的价格优势、更低的功率损耗和更好的di/dt可控性，能进一步降低EMI，且适用于高压和高湿度操作。

EMI滤波器

EMI滤波器由两个X电容（分别为470 nF和330 nF）、一个4.7 nF的Y电容和一个共模电感组成，电感参数如下表所示：	Item	Value	Test condition	Test equipment
Inductance	50 mH	1 kHz, 0.25 V, 25 °C	TH2826 or equivalent
45 mH	10 kHz, 0.25 V, 25 °C
30 mH	100 kHz, 0.25 V, 25 °C

需注意，REF_Fridge_D111T_RC2_SL板未进行浪涌测试，板上的X电容（C10和C15）为X2级，根据IEC60384 - 14，其浪涌测试能力为2.5 kV。若需要更高的浪涌等级，需将X电容替换为X1级组件，或在板的输入侧添加额外的浪涌保护装置。

DC母线传感和MCEWizard配置

DC母线传感电阻分压器阶段可使微控制器（MCU）的ADC输入上的默认DC母线感应电压范围为0 V至5 V，反映输入电压范围从0 V至505 V。硬件参数需在MCEWizard中配置，(V{dc})传感阶段的低通滤波器时间常数可按公式计算： [{cal {time constant}}= ((R10 + R13){big /}(R15)C4 = (2, MOmega | 20, kOmega )4.7, nF = 93.1, mu s] 可调整电容C17的值以提高(V{dc})噪声抑制比。

电流传感和过流保护

• 电流传感：该板的电流传感仅使用RC网络进行偏置和低通滤波，无需额外的运算放大器。通过基尔霍夫电压定律可推导出相关公式，例如板上R1 = R7 = 2 kΩ，R2 = R6 = 22.1 kΩ，(V_{cc}=5 ~V)时，偏移为0.415 V，增益为229.3 mV/A。需注意，R8和R20也决定电流传感的ADC偏置，对于非再生制动模式的应用，可尽量降低偏置以保留足够的ADC范围；由于外部RC电路增益小于1，需内部信号放大来增加低分流电阻值下的电流信号，MCE提供1、3、6和12增益选择，可在MCEWizard中配置；没有外部运算放大器时，无共模噪声抑制能力，需精心设计PCB的GND网络。
• 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数模转换器（DAC）设置，可在MCEWizard中通过“Device overcurrent trigger level setting for comparator”和“Motor1 current input to ADC offset voltage”设置。DAC输出引脚REFU需连接电容以提高噪声抑制能力。

NTC传感和热保护

IMD111T - 6F040的35引脚连接到专门用于温度传感的ADC端口，板上需通过特定电路将负温度系数电阻（NTC）连接到ADC端口，NTC安装在电机相‘V’的低侧IGBT底部。NTC电阻参数为(B - constant = 4050 ~K pm 1 %)，(R{25}=47 k Omega pm 1 %)，基于热敏电阻的典型值可得到不同温度下的(V{th})电压。IMD111T - 6F040内部固件集成了过温保护装置，用户只需在MCEWizard中设置适当的触发电平。

频率信号接口

由于当前冰箱应用主要使用频率信号控制压缩机速度，该板设计了频率信号接口，输入信号与板上的控制和功率部分隔离。典型的冰箱应用方波输入控制信号如下表所示：	Signal frequency fn (Hz)	Motor speed n (RPM)
fn < 30	Stop
30 ≤ fn < 40	Minimum speed
40 ≤ fn < 150	30 * fn
150 ≤ fn < 200	Maximum speed
fn ≥ 200	Stop

系统设计

原理图

主要功能模块在第2.2节已介绍，感兴趣的用户可登录myInfineon账户在板的网页上下载设计文件。

布局

电路板为单层设计，尺寸为115 mm × 105 mm，铜厚度为1 oz.（35 µm）。设计时需注意热性能和接地布局，IGBT的集电极端子直接连接到IGBT引线框架，最大化连接到IGBT连接器引脚的铜面积可有效降低IGBT结温，使板能输出更多功率；由于电流采样非差分且无额外运算放大器，需精心设计接地面积，数字地应与分流接地低阻抗连接，以确保正确采样电流。

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，需登录myInfineon账户下载。部分重要/关键部件的BOM如下表所示：	S. No.	Ref Designator	Description	Manufacturer	Manufacturer P/N
1	U1	Motor controller with integrated high - voltage gate driver	Infineon Technologies	IMD111T - 6F040
2	Q7, Q8, Q9, Q10, Q11, Q12	TRENCHSTOP RC - Series for hard switching applications, VCE 600 V, IC 4 A	Infineon Technologies	IKD04N60RC2
3	C10	CAP / FILM / 470 nF / 275 V / 10% / MKP (Metallized Polypropylene) / - 40°C to 105°C / 12.50 mm C X 0.60 mm W 15.00 mm L X 10.00 mm T X 16.5