探索EVAL_TOLT_DC36V_2KW：用于三相BLDC电机驱动的电源板

前言

在电子工程师的日常设计工作中，找到一款合适的评估电源板来驱动电池供电的无刷直流（BLDC）电机是一项关键任务。今天，我们就来深入探讨一下英飞凌（Infineon）的 EVAL_TOLT_DC36V_2KW 评估电源板，它采用了 OptiMOS™ 5 60 V TOLT MOSFET 技术，专为电池供电的中压 BLDC 电机驱动设计，适用于高功率工具。

文件下载：Infineon Technologies EVAL_TOLT_DC36V_2KW评估板.pdf

一、关于 EVAL_TOLT_DC36V_2KW

1.1 适用人群与范围

这份用户手册主要面向电池供电电动工具制造商，以及熟悉三相电机驱动系统和电机控制的工程师。该评估板用于驱动带有三个霍尔传感器的三相 BLDC 电机，采用脉冲宽度调制（PWM）6 步（块）换向控制来调节电机速度。

1.2 重要注意事项

评估板和参考板仅用于演示和评估目的，并非商业化产品。它们在设计时考虑了环境条件，但未针对安全要求、全工作温度范围或使用寿命进行全面测试。使用时，用户需确保其操作符合所在国家的相关要求和标准，并且要对评估板的适用性进行评估。

二、硬件设计亮点

2.1 电源供应系统

电源供应是整个系统稳定运行的基础。EVAL_TOLT_DC36V_2KW 采用了降压转换器（buck converter）将 24 - 36 V 的电池电压降至 12 V，为栅极驱动 IC 供电。这里使用了英飞凌的 ILD8150 降压 LED 驱动 IC，它原本用于 LED 驱动器的恒流控制，经过修改后可提供稳定的 12 V 输出。其采用的滞环控制器能实现极快的调节速度和稳定的输出电压，同时具备良好的 EMI 性能。

为了给 XMC™ 驱动卡中的微控制器和电源评估板中的其他模拟电路供电，12 V 电压会进一步通过线性稳压器（LDO）降至 5 V。TLS205B LDO 可提供固定的 5 V 电源，最大输出电流为 500 mA。此外，通过改变跳线 J3 的位置和移除电阻 R1，还可以使用外部 12 V 和 5 V 电源，方便调试。

2.2 栅极驱动电路

在驱动三相逆变器 MOSFET 时，英飞凌的 2EDL8124G 高低侧栅极驱动 IC 发挥了重要作用。它是一款具有增强抗噪能力的真差分输入（Tdi）栅极驱动 IC，内置迟滞功能，能有效避免因高电流应用中 di/dt 引起的瞬态干扰而导致的误触发，这对于保护标准栅极驱动器至关重要。而且，该栅极驱动 IC 在每个 MOSFET 的开启和关闭之间内置了 2 ns 的延迟，有助于提高系统的稳定性。

2.3 TOLT MOSFET 封装优势

IPTC007N06NM5 TOLT MOSFET 用于驱动 BLDC 电机相。其独特的封装设计，将引线框架翻转，使漏极焊盘暴露在封装顶部，这为散热带来了极大的优势。通过导热绝缘材料（TIM）将热量传递到散热片上，能够让逆变器向负载提供更多的功率。与传统的背面散热方式相比，TOLT 封装具有以下优点：

• 成本与功率提升：顶部散热方式节省了冷却系统的成本，同时提高了应用的功率能力。
• PCB 布局优化：由于散热片不安装在底部，可在 PCB 底部放置更多组件，增加了布局的灵活性。
• 电气性能改善：增加了源极和漏极之间的距离（爬电距离），提高了电气安全性。

2.4 散热解决方案

为了确保 TOLT 封装 MOSFET 的良好散热，评估板采用了 Advanced Thermal Solutions 的定制散热片（ATS - EXL110 - 300 - R0）。散热片安装在电路板顶部，通过底部的螺钉固定，扭矩设置在 1 - 2 in - lbs 之间。同时，使用了 Bergquist® gap pad® TGP 5000 作为导热绝缘材料，其厚度为 500 µm，热导率为 5 W/m - K，具有良好的热性能和电气绝缘性能。

2.5 保护电路设计

为了保护三相逆变器的 MOSFET 免受过流损坏，评估板设计了过流保护（OCP）电路。每个相的逆变器支路都有一个 1 mΩ 的分流电阻，通过差分放大器测量分流电阻上的电压降，并经过积分器、缓冲器和低通滤波器处理后，将信号传输到 XMC™ 驱动卡的微控制器进行处理。当检测到的峰值电压超过 4.8 V 时，比较器输出高电平，触发 D 触发器，使 MOSFET Q8 导通，拉低 SD 信号，从而关闭逆变器。这样的设计将过流跳闸电平设置为 192 A 峰值，有效保护了电路元件。

2.6 电源板连接器

评估板使用 32 针连接器 U12 与 XMC1300 驱动卡进行连接。详细的引脚分配在手册中有明确说明，涵盖了接地、电源、信号传输等多个功能，确保了电源板和驱动卡之间的稳定通信和数据传输。

三、控制与固件实现

3.1 梯形控制（六步或块换向）

与传统的同步电机使用正弦波电压驱动不同，BLDC 电机通常采用梯形控制，即块换向或六步控制。在每个旋转周期内，有六个换向间隔，间隔为 60 度。这种控制算法简单，但会产生与三相电机电旋转频率六倍相关的转矩脉动，导致振动和噪音。不过，对于电动工具来说，其性能是可以接受的。

在梯形控制中，通过霍尔传感器检测转子位置，根据传感器输出的高低电平切换直流电压到不同的相。XMC1300 系列微控制器具有足够的处理能力来执行这种控制算法。在每个换向步骤中，一个绕组通电，另一个绕组电流流出，第三个绕组处于非通电开路状态，通过定子线圈产生的磁场与永磁体之间的相互作用产生转矩。

3.2 P - I 控制

为了实现速度调节，评估板采用了闭环控制系统，具体实现为比例 - 积分（P - I）控制。通过 XMC1300 驱动卡上的电位器设置速度指令值，固件根据霍尔传感器输入信号计算电机的实际速度，将设定值与实际值之间的误差值输入到 P - I 控制器中。控制器将误差值分别乘以比例系数 $K{P}$ 和积分系数 $K{I}$，然后将结果相加，得到控制值，最终应用于功率级，调整输出以匹配设定值。优化 $K{P}$ 和 $K{I}$ 的值对于实现最小的延迟和过冲非常关键。

四、系统操作与性能评估

4.1 系统启动步骤

启动系统时，需要按照以下步骤进行操作：

1. 连接电机相位：将输出相位连接到 BLDC 电机，注意相位顺序，否则电机将无法正常运行。
2. 连接霍尔传感器：将三个霍尔传感器通过连接器 X101 直接连接到 XMC1300 驱动卡。
3. 连接驱动卡与电源板：使用 32 针连接器将 XMC1300 驱动卡连接到电源板。
4. 选择电源供应方式：如果使用板载电源，将 J3 的 1 脚和 2 脚短路；如果使用外部电源，将 J3 的 2 脚和 3 脚短路以使用外部 12 V 电源，移除 R1 以使用外部 5 V 电源。
5. 连接输入电源：将输入电源连接到 J1（+）和 J2（ - ）。

4.2 系统性能表现

4.2.1 工作波形分析

在高侧调制与同步整流梯形控制方法下，通过示波器观察到了不同时间尺度下的 MOSFET 栅源和漏源电压以及相电流波形。这些波形直观地展示了系统在不同工况下的工作状态，对于分析系统性能和优化控制策略具有重要意义。

4.2.2 功率测量结果

在输入功率为 2 kW、输入电压为 36 V 的情况下，对系统的输入和输出进行了测量。结果显示，总输出功率为 1808.28 W，效率达到了 98.08%，损耗仅为 35.32 W。这表明该评估板在功率转换方面具有较高的效率。

4.2.3 热测量情况

在输入功率为 1850 W、输入电压为 36 V 的情况下，经过 12 分钟的运行后，对系统进行了热成像测量。结果显示，温度仅上升了 57.2°C，这得益于 TOLT MOSFET 封装和散热片的有效散热设计，确保了系统在高负载下的稳定运行。

五、原理图与 PCB 布局

5.1 原理图展示

手册中提供了评估板各个部分的原理图，包括输入部分、相位功率级、板连接器、电压调节器和保护电路等。这些原理图详细地展示了电路的连接方式和元件的使用，为工程师进行电路分析和故障排查提供了重要依据。

5.2 PCB 布局特点

EVAL_TOLT_DC36V_2KW 板采用六层铜 PCB 设计，每层铜厚为 2 oz，板尺寸为 170 mm x 120 mm，材料为 1.6 mm 厚的 FR4 级。手册中展示了顶层、中间层和底层的 PCB 布局图，工程师可以根据这些布局图了解元件的分布和布线情况，为 PCB 设计和优化提供参考。同时，英飞凌网站的下载部分提供了 Gerber 文件，但需要登录才能下载。

5.3 物料清单

完整的物料清单（BOM）也可以从英飞凌网站的下载部分获取。清单中详细列出了每个元件的型号、数量、制造商和规格等信息，方便工程师进行采购和替换。

总结

EVAL_TOLT_DC36V_2KW 评估电源板为电池供电的 BLDC 电机驱动提供了一个全面的解决方案。其先进的硬件设计、灵活的控制与固件实现、良好的系统性能以及详细的文档支持，使其成为电子工程师在设计高功率工具电机驱动系统时的一个不错选择。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对系统进行进一步的优化和调整，以满足不同的工作场景和性能要求。你在使用类似评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。