40V、1.5kW BLDC电机驱动逆变器REF_40VDC_1.5KW_SAW设计解析

在电子工程师的日常工作中，电机驱动设计是一个关键且富有挑战性的领域。今天，我们就来深入探讨一下Infineon的REF_40VDC_1.5KW_SAW电机驱动板，它专为40V电池供电的无刷直流（BLDC）电机驱动而设计，适用于高达1.5kW的户外动力设备等应用。

文件下载：Infineon Technologies REF_40VDC_1.5KW_SAW BLDC电机驱动板.pdf

一、背景与需求

户外动力设备（OPE）涵盖了割草机、吹风机、修枝机和链锯等工具。传统的汽油动力OPE存在体积大、重量重、噪音大以及产生二氧化碳排放等问题。随着新的法律和环保法规的出台，它们正逐渐被无绳电池供电的替代品所取代。24至40V的锂离子电池组由于在低电流和安全电压之间取得了平衡，非常适合这些应用。

在设计电池供电的OPE时，主要面临以下三个挑战：

1. 能量输出最大化：在保持电机驱动器尽可能小而轻的同时，提供足够的功率以满足扭矩和速度要求。
2. 热管理：最小化电力转换产生的热量，因为热量不仅会浪费电池电量，还需要笨重的散热器。因此，电机驱动器需要以尽可能高的效率运行。
3. 安全性：包括防止可能的故障和安全关机，以避免潜在的火灾危险和对用户的伤害。

二、REF_40VDC_1.5KW_SAW电机驱动板概述

该参考板是Infineon针对40V电池供电工具优化的系统解决方案，支持无传感器磁场定向控制（FOC）或梯形控制。默认控制方法为无传感器FOC，但通过替代固件，也支持带霍尔传感器的梯形或矢量操作。

硬件组成

参考板由三个半桥组成三相逆变器，每个半桥由一个低侧和高侧MOSFET（IQFH61N06NM5）组成，由Infineon的三相电机控制栅极驱动器IC（6ED2742S01Q）驱动。驱动器通过降压调节器由40V电压供电，降压调节器的输出再由线性稳压器降至3.3V，为MCU和其他IC供电。

输入级

输入级由两个辅助电源和一个三相半桥栅极驱动器组成，具有保护功能。当电池电压启用时，40V电压供应给输入级的三个IC。降压控制器（IC2）将电池电压从40V降至12V，而IC3（Infineon的TLS203B0EJ V33）用作第二个辅助电源，为MCU和其他IC提供3.3V电压。此外，电池电压连接到Infineon的ISC015N06NM5LF2ATMA1断开MOSFET，这些MOSFET作为安全开关，在检测到故障时由Infineon的EiceDRIVER（1EDL8011）断开电池电压。

功率级

功率级由三个半桥组成三相逆变器，每个相使用两个IQFH61N06NM5 MOSFET，适用于电池供电和低电压驱动应用。每个MOSFET并联一个缓冲器，以抑制电压瞬变，确保板的效率保持在98%或更高。功率级还集成了温度传感器，用于热管理和保护。

电流传感和驱动级

使用运算放大器IC（IC4）感测分流器（RS1、RS2和RS3）的输出电流，并将电压放大12倍。放大后的输出被馈入Infineon的6ED2742S01Q栅极驱动器（IC5）。6ED2742S01Q是基于绝缘体上硅（SOI）的栅极驱动器，专为三相BLDC电机驱动应用而设计，具有集成的自举二极管和涓流充电泵，支持100%占空比操作。

保护电路

栅极驱动器集成了保护电路，包括欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）、直通保护和死区时间保护。这些保护功能确保了电机驱动器的安全可靠运行。

三、控制和固件

控制方法

参考板支持FOC和梯形控制（也称为块换向）两种控制方法。

• FOC：使转子与定子保持90°角度，三相绕组始终以不同的电流通电，以产生所需的定子磁通角度和大小。为了获得最佳性能，使用三个分流器来感测半桥低侧电流，提供足够的相电流反馈以进行矢量控制。
• 梯形控制：通过在六个阶段中为两个相通电120°来旋转电机，允许六个定子矢量位置。该控制方法通常使用霍尔或巨磁阻（GMR）传感器来检测转子速度和位置。

速度控制器

速度控制器的参数受机械负载的影响很大，包括库仑摩擦（$T_{f}$）、粘性摩擦（B）和惯性（J）。在使用固件操作任何电机时，准确测量或估计这三个参数并将其输入到GUI或硬编码到适当的头文件中至关重要。

相位提前和MTPA

MTPA块负责生成q和d轴电流的命令值，以最大化注入电机绕组的总电流的扭矩。通过求解扭矩方程，可以得到d和q轴电流命令值。

弱磁和MTPV

当电机速度超过基速时，需要弱磁方法来降低电机的反电动势电压，从而进一步提高速度。控制器通过积分器生成d轴电流，以削弱磁通并实现速度增加。

电流控制器

d和q电流命令用作电流控制器的输入，输出为电压参考。最终，通过逆变器将电压参考应用于电机，以控制电流。

四、测试设置与结果

测试设置

使用示波器、电压和电流探头以及功率分析仪对参考板进行各种测试。测试使用Magtrol测功机作为可调机械负载，连接到测试电机，用于测量扭矩和速度。在测试过程中，连接鼓风机以防止设备过热。

测试结果

• 功率测量：在电机以2N·m的扭矩运行并达到稳态时，输入功率为1.06978kW，输出功率为1.04974kW，效率为98.127%。
• 热测量：在无气流/风扇、电机速度为4077rpm和2.0N·m负载的条件下，板的最热区域位于中间相的分流器上，分流器在稳态下达到的最高温度为90.1°C，最低温度为89.8°C，效率约为98.0%。
• 操作波形：在输出功率为1kW、电机速度为4077rpm和2.0N·m负载的稳态下，相电流范围为29.79ARMS至30.5ARMS，波形保持平衡。U相的漏源电压（$V_{DS}$）的最大电压为40VPK - PK和40.4VPK - PK，开关电压读数均远低于电压额定值的20%。

五、总结

REF_40VDC_1.5KW_SAW参考板满足了电动工具或三相电机设计中的要求和规格。其硬件设计合理，PCB布局优化了热耗散、减少了寄生效应并提供了高电流路径。控制和固件部分实现了高效的电机控制，包括FOC控制算法。测试结果表明，该参考板在高负载条件下仍能保持约98%的效率，并且在速度控制、相位提前、MPTA、弱磁、MTPV和电流控制等方面表现出色。此外，GUI提供了参数定制和不同FOC选项的选择，简化了产品开发过程并缩短了上市时间。

在实际应用中，电子工程师可以根据具体需求对参考板进行进一步的优化和调整。你在电机驱动设计中遇到过哪些挑战？你认为REF_40VDC_1.5KW_SAW参考板在哪些方面还可以改进？欢迎在评论区分享你的看法。