飛兆半導(dǎo)體開發(fā)了一種逆變器參考設(shè)計(jì) （IRD），展示了新型FTCO3V455A1三相汽車電源模塊 （APM） 的使用。它適用于中等功率 （1-2 kW） 12 V 三相逆變器應(yīng)用。它最適用于汽車應(yīng)用，如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)空調(diào)、變速箱潤(rùn)滑油泵和其他車輛應(yīng)用。IRD 套件旨在為在完整的三相逆變器配置中評(píng)估和應(yīng)用 APM 提供快速且廉價(jià)的平臺(tái)。只需添加適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電子系統(tǒng)控制，即可以最少的時(shí)間和投資實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。

　　特征

• 　　FTCO3V455A1 三相電源模塊
• 　　光輸入隔離
• 　　三個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器
• 　　逆變器直流鏈路分流放大器
• 　　模塊溫度轉(zhuǎn)換電路
• 　　用于反饋的感測(cè)相電壓放大
• 　　過(guò)流和過(guò)溫關(guān)斷電路
• 　　反向電池和電壓瞬態(tài)保護(hù)電路
• 　　可選的三通道電流傳感器板（典型 2 相加直流鏈路）

　　系統(tǒng)總覽

　　逆變器參考設(shè)計(jì) （IRD） 評(píng)估板帶有可選的三通道電流傳感器板，演示了汽車電源模塊的使用。本文包含對(duì)電源模塊、逆變器驅(qū)動(dòng)、信號(hào)調(diào)理和典型工作特性的完整描述。系統(tǒng)框圖如圖 所示。

　　圖 ：IRD 框圖。

　　整個(gè) IRD 的控制電源來(lái)自單個(gè) 12 V 輸入源。此外，系統(tǒng)必須配備大電流電池電源，用于通過(guò)逆變橋?yàn)樨?fù)載電機(jī)供電。如果需要，可以使用單個(gè) 12 V 電源為這兩個(gè)功能提供電源。

　　大電流電池源在應(yīng)用于逆變橋之前通過(guò)直流鏈路繼電器和差模/共模濾波器網(wǎng)絡(luò)連接。繼電器控制電路提供了一個(gè)反向電池保護(hù)方案，其中繼電器不會(huì)通電，除非電池電源連接到正確的極性和足夠的電壓電平。

　　通過(guò)使用 Y 電容器和共模扼流圈，提供直流鏈路濾波以抑制共模電池電壓源噪聲。逆變橋電壓由 LC PI 網(wǎng)絡(luò)和一對(duì)差模電容器進(jìn)一步濾波。

　　3.3 V 線性穩(wěn)壓器電路源自 12 V 控制源，用于為所有邏輯和放大器電路供電。

　　由于柵極驅(qū)動(dòng)電路需要保持足夠高的輸出電壓以確保對(duì) APM 進(jìn)行全柵極驅(qū)動(dòng)，因此三個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器器件直接由 12 V 控制源供電。

　　逆變橋器件的開關(guān)由 8 個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)（6 個(gè)門、繼電器控制和故障清除）控制，這些信號(hào)通過(guò)光耦合器陣列連接。這些輸入?yún)⒖紗蝹€(gè)通用數(shù)字輸入連接，并與所有其他 IRD 電路完全隔離。這種浮動(dòng)公共連接可以連接到電路板接地或保持完全隔離以提供卓越的控制器抗噪能力。

　　模擬輸出和數(shù)字輸出信號(hào)以電路板公共地 （GND） 為參考。這些 I/O 信號(hào)的范圍、比例和描述在表 1 中有詳細(xì)說(shuō)明。

　　表 1：信號(hào) I/O 連接。

　　模塊說(shuō)明

　　APM 包含一個(gè)三相 MOSFET 橋、電流檢測(cè)分流器、RC 電壓緩沖電路和一個(gè)溫度檢測(cè)熱敏電阻 （NTC）。它的一側(cè)有 14 個(gè)信號(hào)連接，另一側(cè)有 5 個(gè)電源連接。這 19 個(gè)連接被焊接到 IRD 上的焊盤上。該模塊的底部還有一個(gè)電絕緣銅散熱器，必須連接到外部散熱器。該模塊的原理圖如圖 所示。

　　圖 ：電源模塊內(nèi)部原理圖。

　　輸入隔離

　　逆變器驅(qū)動(dòng)和輸入控制信號(hào)的隔離是通過(guò)使用雙高速輸入信號(hào)光耦實(shí)現(xiàn)的。八個(gè)數(shù)字輸入通道中的每一個(gè)都使用光電耦合器進(jìn)行光隔離，并具有與 IN-COM 引腳的公共接地連接。

　　這種電路配置在逆變器和外部微控制器之間提供了完全隔離。由于光耦合器輸入是電流驅(qū)動(dòng)的，它可以在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作。輸入電壓必須提供至少 2 mA 的光電二極管驅(qū)動(dòng)電流且不超過(guò) 20 mA。因此，最小的“邏輯高”輸入電平信號(hào)是任何高于 5 伏的電壓，并且可以高達(dá) 20 伏?！斑壿嫷汀彪娖叫盘?hào)是低于 1.6 伏的任何電壓?？梢酝ㄟ^(guò)減小光耦合器輸入電阻的值來(lái)適應(yīng)較低的輸入電壓電平。

　　柵極驅(qū)動(dòng)器

　　安裝在 IRD 上的是三相電源模塊，包含六個(gè)獨(dú)立的 MOSFET 器件。每個(gè) MOSFET 器件都需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電流放大器來(lái)進(jìn)行控制。這些電流驅(qū)動(dòng)功能由三個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 提供。

　　柵極驅(qū)動(dòng)器級(jí)由三個(gè)FAN7393A半橋柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 組成，一個(gè)用于電源橋的每個(gè)橋臂。每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 都需要三個(gè)輸入信號(hào)：not_shutdown （SD/）、輸入 （IN） 和死區(qū)時(shí)間 （DT）。

　　死區(qū)時(shí)間信號(hào)用于調(diào)整在一個(gè)設(shè)備關(guān)閉和另一個(gè)設(shè)備開啟之間（在給定的相腿中）應(yīng)用的駐留時(shí)間，以避免短路或“擊穿”情況。該時(shí)間通過(guò)一個(gè)從 DT 端子連接到地的編程電阻器來(lái)設(shè)置。最初，編程電阻的值設(shè)置為 22 kΩ，這將提供 1 μs 的鎖定周期。

　　柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 輸出端的電阻網(wǎng)絡(luò)提供雙向柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電流。這種配置將在器件關(guān)斷期間提供一半的柵極電阻，而在器件開啟期間則使用該配置。這允許獨(dú)立調(diào)整功率器件的開啟和關(guān)閉時(shí)間。

　　放大器

　　提供板載放大器電路來(lái)調(diào)節(jié)三相電壓、直流鏈路電壓、分流信號(hào)和 NTC 熱敏電阻。三相電壓和直流鏈路電壓通過(guò)一組運(yùn)算放大器進(jìn)行監(jiān)控，這些運(yùn)算放大器以改進(jìn)的差分放大器配置排列。分壓輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)用于限制施加到放大器 IC 的絕對(duì)電壓并提供低通濾波器。

　　圖 ?顯示了其中一個(gè)低通濾波器電路的示例。截止頻率、信號(hào)范圍、增益和偏移參數(shù)在表 1 中有詳細(xì)說(shuō)明。

　　圖 ：電壓放大器電路。

　　電壓放大器的設(shè)計(jì)使得信號(hào)的高頻開關(guān)分量將被消除，只留下電機(jī)基頻。這些濾波后的電壓信號(hào)在輸出連接器上可用（參見表 1）。模塊的內(nèi)部電流分流信號(hào)也以類似方式放大。

　　電流分流放大器的直流增益和濾波器截止頻率如表1所示。該放大器能夠?qū)⒎至髌鞯牡碗娖叫盘?hào)處理成有用的高電平控制信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)在輸出連接器上可用。它還連接到過(guò)流檢測(cè)電路，在此將其信號(hào)電平與設(shè)置為指示過(guò)流情況的電平的電壓參考進(jìn)行比較。假設(shè)過(guò)流故障啟用跳線已到位，任何超過(guò) 150 A 的分流電流水平都會(huì)使過(guò)流故障電路跳閘，這將禁用逆變橋。無(wú)論跳線的狀態(tài)如何，過(guò)流故障信號(hào)都會(huì)出現(xiàn)在 I/O 連接器上，因此可以在獨(dú)立于板載過(guò)流故障檢測(cè)電路的控制軟件中使用。

　　APM 模塊包含一個(gè)內(nèi)部熱敏電阻，該熱敏電阻安裝在靠近 MOSFET 芯片的位置，以便為模塊的功率器件提供過(guò)熱保護(hù)。

　　將模塊的溫度信號(hào)電平與指示過(guò)熱故障 （OT） 條件的電壓參考值進(jìn)行比較。假設(shè)過(guò)熱故障啟用跳線已就位，任何指示溫度超過(guò) 140°C 的電壓電平都會(huì)使過(guò)熱故障電路跳閘。無(wú)論跳線的狀態(tài)如何，過(guò)溫故障信號(hào)都會(huì)出現(xiàn)在 I/O 連接器上，因此可以在獨(dú)立于板載過(guò)溫故障檢測(cè)的控制軟件中使用。可以通過(guò)調(diào)整設(shè)置比較器參考電壓電平的電阻值來(lái)改變過(guò)熱和過(guò)流跳閘電平。

　　故障保護(hù)

　　IRD 具有板載故障保護(hù)電路，可在發(fā)生嚴(yán)重過(guò)流或過(guò)熱情況時(shí)保護(hù)電源模塊。當(dāng)跳線 J2 和 J3 就位時(shí)，過(guò)流 （OI） 和過(guò)熱 （OT） 信號(hào)連接到故障保護(hù)電路。在故障情況下，保護(hù)電路將覆蓋三個(gè)輸入使能信號(hào)，這將禁用所有三個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器電路。一旦觸發(fā)故障，故障 LED 將呈紅色亮起，表示已發(fā)生故障并且逆變器已鎖定到空閑狀態(tài)。

　　一旦發(fā)生故障，逆變器可以通過(guò)以下三種不同方式中的任何一種進(jìn)行復(fù)位：

　　關(guān)閉控制電源并重新打開

　　按下 PCB 上的復(fù)位按鈕

　　在 FLT-CLR 端子上相對(duì)于 I/O 連接器上的 IN-COM 端子呈現(xiàn)邏輯“高”信號(hào)。

　　故障保護(hù)電路如圖 ?所示。

　　圖 ：故障保護(hù)電路。

　　直流鏈路濾波器和繼電器

　　大電流電池源通過(guò)“電源塊”POS 和 NEG 端子連接連接到 IRD。它通過(guò)繼電器 K1 連接到逆變橋，然后通過(guò)共模/差模和 pi 濾波器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波。此外，瞬態(tài)電壓保護(hù)由 TVS 和齊納鉗位器件提供。繼電器由低側(cè) MOSFET 開關(guān)控制，該開關(guān)由外部隔離數(shù)字輸入信號(hào)操作。反向電池保護(hù)是通過(guò)以下事實(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的：只有在電池電壓存在且正確極化的情況下，繼電器才能通電。直流鏈路濾波器和繼電器電路如圖 所示。

　　圖 ：大電流電池源濾波電路。

　　電流傳感器板

　　IRD 系統(tǒng)提供一個(gè)可選的三通道電流傳感器板，可直接安裝在 IRD PCB 的輸出區(qū)域。三個(gè)電流傳感器通道中的每一個(gè)都包括一個(gè)帶限低通濾波器 （LPF） 電路，用于控制電流傳感器系統(tǒng)的輸出帶寬。三個(gè)通道可用于測(cè)量三相電流?；蛘咚鼈兛捎糜跍y(cè)量直流鏈路電流和兩相電流。

　　使用的三個(gè)電流傳感器是 LEM HAIS-100P，額定峰值電流為 300 安培。傳感器的輸出范圍為 5 V，對(duì)應(yīng)于零電流輸入信號(hào)的偏移為 2.5 V。