电机驱动评估板-电子发烧友网

该板在客户使用 FS45MR12W1M1_B11 六组电源模块和 EiceDRIVER 1EDI20H12AH 1,200-V 隔离式栅极驱动器设计应用的第一步时为他们提供支持。该模块具有额定 1,200V 阻断电压和 45mΩ 的典型通态电阻。它针对具有极高频开关操作的电机驱动应用进行了优化。

CoolSiC MOSFET

碳化硅 (SiC) 是一种具有同素异形体的硅和碳的化合物。碳化硅的优点包括：

带隙为 3.3 eV，而硅为 1.2 eV；

击穿场为 2.2 MV/cm，而硅为 0.3 MV/cm；

热导率为 4.9 W/cm K（硅为1.5 W/cm K）；和

电子漂移速度为 2 107 cm/s，而硅为1 107 cm/s。

由于 SiC 的击穿场高 10 倍，有源区可以做得更薄，并且可以结合更多的自由载流子。结果，电导率显着更高。与双极型 IGBT 相比，碳化硅的材料特性能够实现快速开关单极型器件的设计。基于宽带隙的功率器件（例如 SiC 二极管和晶体管）是电力电子设计的既定元素。与此同时，人们普遍认为 MOSFET 是首选概念（图 1）。

图 1：宽带隙半导体的应用（图片：Infineon Technologies）

基于 SiC 材料的这些优势，SiC MOSFET 正在成为大功率应用的有吸引力的开关晶体管，例如太阳能逆变器和非车载电动汽车 (EV) 充电器。得益于特殊的沟槽结构，CoolSiC MOSFET 提高了沟道迁移率并提高了栅极氧化层的可靠性。

英飞凌最近推出了 CoolSiC MOSFET 器件，完善了其 650-V/1,200-V 产品组合。该技术不仅旨在补充这种阻断电压等级的 IGBT，而且还旨在补充成功的 CoolMOS 技术。CoolSiC MOSFET 650-V 器件的额定值为 27 mΩ 至 107 mΩ。它们采用经典的三引脚 TO-247 封装以及四引脚版本的 TO-247，可实现更低的开关损耗。英飞凌表示，与竞争性硅和 SiC 解决方案相比，650 V 的 CoolSiC MOSFET 提供的优势包括更高频率下的开关效率和出色的可靠性。

由于导通电阻 (RDS(on)) 对温度的依赖性非常低，MOSFET 具有出色的热性能。据称，这些器件坚固且稳定的体二极管可保持非常低的反向恢复电荷 (Qrr)——比最好的超级结 CoolMOS MOSFET 低约 80%。换向稳健性有助于轻松实现 98% 的整体系统效率——例如，通过使用连续传导模式图腾柱功率因数校正 (PFC)。

图 2：FS45MR12W1M1_B11 模块示意图（图片：Infineon Technologies）

具有 1,200 V 阻断电压的 SiC MOSFET 在太阳能转换器、不间断电源、电池充电器和工业驱动器等应用中很有趣。FS45MR12W1M1_B11 是一款 EasyPACK 1B 1,200-V、45-mΩ 六块式模块，采用 CoolSiC MOSFET、NTC 电阻器和 PressFIT 接触技术（图 2）。据英飞凌称，它通过低电感设计提供最高效率以减少冷却工作。

ROHM Semiconductor 提供 SCT3105KR 1,200-V 碳化硅 MOSFET，采用沟槽栅极结构，针对需要高效率的服务器电源、太阳能逆变器和电动汽车充电站进行了优化。使用新的四引脚封装将电源和驱动器源端子分开，从而可以最大限度地提高高速开关性能。因此，与传统的三引脚封装 (TO-247N) 相比，总导通和关断损耗可降低多达 35%。

评估委员会

Eval-M5-E1B1245N-SiC 评估板是 iMOTION 模块化应用设计套件 (MADK) 平台的一部分，旨在与一系列控制板和功率级配合使用。该板可通过 iMOTION MADK-M5 32 针接口连接器连接到 XMC DriveCard 4400 或 XMC DriveCard 1300 等控制板。

图 3：Eval-M5-E1B1245N-SiC 评估板的框图（图片：Infineon Technologies）

开源卡配备了相位输出分流器，可以实现控制传感器。它有一个三相交流连接器、一个 EMI 滤波器以最大限度地减少对连接电网的高频辐射、一个整流器、一个用于电机连接的三相输出、一个提供 5 V 的辅助电源、一个集成的 NTC 温度传感器、和一个碳化硅 FS45MR12W1M1_B11 六组电源模块。

Eval-M5-E1B1245N-SiC 框图如图 3 所示。所有测量和控制信号均可在 32 针驱动卡接口连接器上使用。板上还提供了用于过温和过流保护的硬件电路。电源区和信令区是分开的，以避免杂项干扰。基本绝缘隔离信号部分。通过使用具有适用于给定应用的安全认证的部件替换当前的 MOSFET 驱动器和辅助电源变压器（T650、TR200、TR201），隔离设计可以轻松升级为安全电气隔离。

附加功能包括：

输入电压 340 至 ~480 VAC；

最大 7.5 千瓦电机功率输出；

带 delta-sigma ADC 的隔离电流检测；

通过 delta-sigma ADC 隔离检测直流母线电压；

热敏电阻输出；

过载和短路硬件保护；

保护期间所有六个开关都关闭；

坚固耐用的栅极驱动器技术，对瞬态和负电压具有稳定性；

辅助 5V 电源；

与标准示波器探头兼容的测量测试点；和

RoHS 合规性。

图 6：Eval-M5-E1B1245N-SiC 的顶视图（详情见表 1）（图片：Infineon Technologies）

该板的尺寸为 259 × 204 × 1.6 mm，有四个电气层，每个电气层都有 35 μm 的铜。图 6 显示了电路板的详细信息，如表 1 中所述。为了获得输出电流的准确测量和对称的过流检测，必须调整模拟信号的偏移电压（图 7）。基本电路板布局可分为四个子类别：转换器的输入电路、辅助电源、功率级和测量。输入电路配有两个 NTC 电阻，可限制浪涌电流。

表 1：图 6 的详细信息

图 7：偏移调整的相关部件（图片：Infineon Technologies）

所有电源电压均由反激式转换器产生，由 DC-BUS 提供。供电电路由英飞凌 ICE5QSAG 控制 IC 实现。电源电压通过基本绝缘与 DC-BUS 电位隔离（图 8）。

图 8：辅助电源（图片：Infineon Technologies）

反激式转换器旨在产生三个电压电平：17.6、15 和 6V。15V 电源电压主要用于 MOSFET 驱动器的电源电路。来自该电压的 –5 V 电源电压来自用于电路板模拟电路负电源的线性稳压器。正模拟电源直接连接到 +6V 电源。该电压指南还用于为稳压器和过流阈值生成生成 +5 V。

功率级原理图如图 9 所示。 FS45R12M1W1_B11 六组电源模块的三相引脚连接到一个薄膜电容器和四个陶瓷电容器。在每一相，输出电流由分流电阻器测量。分流电压由电流隔离的 delta-sigma DAC 测量。二阶低通滤波器以大约 6.5 kHz 的带宽执行转换。对于偏移调整，可以通过 R5564 电位计为所有三个电流调整低通滤波器的参考电压。

图 9：功率级原理图（图片：Infineon Technologies）