REFFRIDGED111TRC2SL：冰箱压缩机驱动参考设计板的深度解析

在电子工程师的日常工作中，寻找合适的参考设计板对于产品开发至关重要。今天我们就来详细解析一下 Infineon 的 REFFRIDGED111TRC2SL 冰箱压缩机驱动参考设计板，看看它能为我们带来哪些便利和优势。

文件下载：Infineon Technologies REF_FRIDGE_D111T_RC2_SL参考板.pdf

一、概述

REFFRIDGED111TRC2SL 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。该套件结合了英飞凌的一系列产品，如新的 RC - D2 IGBT 和电机控制驱动器 iMOTION™ IMD111T - F040，是一个现成的解决方案，能轻松转化为冰箱压缩机的量产板，加速开发阶段并实现快速上市。

不过需要注意的是，尽管在设计时考虑了环境条件，但该设计仅进行了本文件中描述的测试，在安全要求、整个工作温度范围或使用寿命内的制造和操作方面并未经过完全认证。而且这些评估板仅进行了典型负载条件下的功能测试，与常规产品在退货材料分析（RMA）、工艺变更通知（PCN）和产品停产（PD）方面的流程不同，仅适用于实验室条件下的专业人员使用。

二、交付内容

交付内容仅包含如图 2 所示的板子。而用于调整板载固件的 iMOTION™ Link 并未包含在交付内容中，但它是必需的，可以根据第 5.3 节的详细信息单独订购。

三、主要特性

3.1 核心器件优势

• iMOTION™ Driver IMD111T - 6F040：这是一款现成的运动控制器，带有脚本引擎和 6 通道绝缘体上硅（SOI）驱动器。它具有 Motion Control Engine（MCE 2.0），支持单或腿分流电流测量，采用无传感器/基于霍尔的 FOC 电机控制算法，还可选择对升压和图腾柱 PFC 进行控制。同时具备死区时间插入和直通预防、过流/过压/欠压锁定等保护功能，拥有 600 V 阻断电压的高压三相栅极驱动器，栅极驱动器的供电电压为 15 V，采用 LQFP - 40 封装。
• RCD2 - 600 V IGBT：它是 RC - D/DF IGBT 的继任者，具有最低的 EMI 和损耗。该技术的二极管是单片集成的，适合消费类驱动器。通过优化二极管的电流额定值，使其在价格和性能方面更具竞争力。并且它是首个引入 SOT - 223 封装的 IGBT 系列，这种封装尺寸更小，进一步降低了价格，与 DPAK 封装引脚兼容且可替换，占用相同的占地面积。与 RC - DF 相比，它具有价格合理、性能足够、di/dt 可控以减少电磁噪声、改善湿度鲁棒性（通过 HV - H3TRB 测试）以及在 DPAK 中有 4 A 至 15 A 电流等级的广泛产品组合等优势。

3.2 系统整体优势

该系统解决方案能够实现高度集成、灵活的设计以及最低的 EMI，为冰箱压缩机驱动提供了可靠的保障。

四、系统与功能描述

4.1 调试过程

4.1.1 硬件连接

硬件连接是系统调试的第一步。需要使用 iMOTION™ Link 电缆将 PC/调试器端与电机驱动系统（目标 iMOTION™ 设备，热端）隔离开来，实现 1 kV DC 电气隔离。具体操作是将 iMOTION™ Link 的 8 针电缆以默认引脚顺序连接到 X7，然后用 USB 线连接 PC 和 iMOTION™ Link，接着连接交流电源（X1）和电机（X2）。

4.1.2 软件/固件准备

软件和固件准备工作也至关重要。需要使用英飞凌网站（http://www.infineon.com/imotion - software）上下载的 iMOTION™ 软件工具 MCEDesigner 和 MCEWizard 来设置系统、控制和微调系统性能。从网站上下载 MCE 固件，并根据需求选择合适的版本。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，生成控制器的数字参数集。设置完成后，在“验证与保存页面”点击“计算”按钮，若无误则保存驱动参数集。对于首次运行板子的用户，建议先不使用脚本生成功能，待电机性能调试完成后再添加。

4.1.3 程序固件/参数/脚本

REF_Fridge_D111T_RC2_SL 参考设计套件在发货前已进行过功能测试，带有预编程的固件和默认参数。但由于电机可能与测试时不同，用户需要对参数进行编程。编程过程包括对 MCE 固件、系统和电机的参数集进行编程，以及可选的客户脚本文件编程。也可以使用 MCEWizard 生成的包含上述三项内容的组合文件，该文件通常用于生产，只需编程一次。

4.1.4 开环诊断

开环诊断是判断电机连接、功率级工作、电流传感相关参数配置以及 PCB 布局和直流母线去耦是否正确的重要步骤。双击“VF Diagnostic”功能，用示波器监测电机电流，若不是正弦波，可更改寄存器 TargetSpeed 和 Vd_Ext，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%。再双击“System page > Monitor Definitions”中的“Iu & Iv_Slow”，若电机电流反馈不干净、不是正弦波，则需在 MCEWizard 中调整“Gating Propagation Delay & Phase Shift Window Size”。完成“VF Diagnostic”后，点击 STOP 按钮或运行“stop motor”功能停止电机。

4.1.5 闭环运行

若开环诊断正常，即可尝试闭环运行。首先点击控制栏中的绿色交通灯按钮或双击“User Application Function Definitions”组中“motor1”窗口的“Start Motor”子功能启动电机。检查电机旋转方向，若方向错误，可调整电机绕组的连接顺序或在 MCEDesigner 中设置负的 TargetSpeed。将 TargetSpeed 设置为最大速度的 50% 左右，启动“Iu & Flx_M”跟踪。若 FlxM 不稳定，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 带宽等参数；若噪声大，需检查电流反馈和 $V{dc}$ 相关的硬件和参数；若 FlxM 与 2048 相差较大，需在 MCEWizard 中调整“Motor Back EMF Constant ( $K{e}$ )”。若只需编程新的参数文件，可参考第 2.1.3 节的说明，此时无需再次编程固件，可选择“Program Parameters”选项。

4.2 功能模块描述

4.2.1 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，它具有更好的价格优势、更低的功率损耗，对 di/dt 的可控性更强，能进一步降低 EMI，并且在高压和高湿度环境下也具有很强的鲁棒性。

4.2.2 EMI 滤波器

EMI 滤波器由两个分别为 470 nF 和 330 nF 的 X 电容、一个 4.7 nF 的 Y 电容和一个共模电感组成。共模电感的参数可在登录 myInfineon 账户后从板载网页下载。该板的传导电磁干扰情况在第 4.2 节中有介绍，需要注意的是，此板未进行过浪涌测试，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。

4.2.3 DC 总线传感和 MCEWizard 配置

DC 总线传感电阻分压器阶段的默认 DC 总线感测电压范围为 0 V 至 5 V，反映输入电压范围为 0 V 至 505 V。需要在 MCEWizard 中配置硬件参数，$V{dc}$ 传感阶段具有低通滤波器时间常数，可通过调整电容 C17 的值来提高 $V{dc}$ 噪声抑制比。

4.2.4 电流传感和过流保护

• 电流传感：该板的电流传感仅使用 RC 网络进行操作偏置和低通滤波，以降低成本，无需额外的运算放大器。通过应用基尔霍夫电压定律和相关假设可推导出 $V_{ADC}$ 的计算公式。需要注意的是，R8 和 R20 也决定了电流传感的 ADC 操作偏置；由于外部 RC 电路的增益小于 1，需要内部信号放大来提高低分流电阻值下采集的电流信号；由于没有外部运算放大器，没有共模噪声抑制能力，因此 PCB 的 GND 网络需要精心设计。
• 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”进行设置。DAC 输出引脚 REFU 需连接电容以提高噪声抑制能力。

  4.2.5 NTC 传感和热保护

  IMD111T - 6F040 的引脚 35 连接到专门用于温度传感的 ADC 端口。板上需通过特定电路连接负温度系数电阻（NTC），NTC 安装在电机相‘V’的低侧 IGBT 底部。根据 NTC 电阻的参数和热阻特性，可得到不同温度下的电压值。IMD111T - 6F040 内部的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即可。

  4.2.6 频率信号接口

  由于当前冰箱应用主要使用频率信号来控制压缩机速度，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，典型的冰箱应用输入控制信号为方波，其频率与电机速度的关系在表 6 中有详细说明。

五、系统设计

5.1 原理图

主要功能模块在第 2.2 节中已有介绍，对详细信息感兴趣的用户可在登录 myInfineon 账户后从板载网页下载设计文件。

5.2 布局

该板为单层设计，尺寸为 115 mm × 105 mm，采用 1 oz.（35 µm）铜厚制造。在设计时，为了提高热性能，IGBT 的集电极端子直接连接到 IGBT 引线框架，最大化与 IGBT 连接器引脚相连的铜面积可有效降低 IGBT 结温，使板子能输出更多功率。同时，由于电流采样是非差分的且无需额外的运算放大器，因此需要精心设计接地面积，确保数字地与分流接地之间具有低阻抗连接，以保证正确采样电流。

5.3 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，需要登录 myInfineon 账户。文中列出了参考板最重要/关键部分的 BOM 表，方便大家了解主要器件信息。

5.4 连接器细节

文档详细介绍了各个连接器的引脚功能，包括 AC 线连接器（X1）、电机侧连接器（X2）、iMOTION™ Link 连接器（X7）、接地连接器（X11）和频率输入信号连接器（X13）等，为实际应用中的连接提供了清晰的指导。

六、系统性能

6.1 热特性

基于单层 FR4 PCB 和 1 oz. 铜的测试表明，在环境温度为 25°C、交流电压为 220 V 的条件下，采用 3 相脉宽调制策略，载波频率为 5 kHz，随着输入功率的增加，直到 IGBT 外壳温度达到 100°C。文中给出了输入功率和电流的特性表，为评估系统在不同工况下的热性能提供了数据支持。

6.2 电磁干扰（EMI）传导

该板的传导 EMI 测试遵循 EN 55032 - 信息技术设备（ITE）B 类设备电源端口的传导干扰标准。测试使用额定功率为 180 W 的风扇作为负载电机，分别在交流 L 线和 N 线的 100 W（轻载）和 180 W（重载）四种不同组合下进行。测试结果表明，所有最终测量值与 EN 55032 标准规定的限值相比，都有超过 5 dB 的余量，说明该板在电磁兼容性方面表现良好。

6.3 电快速瞬变（EFT）测试

在电压峰值为 4 kV、突发频率为 5 kHz 和 100 kHz、耦合路径包括 L、N、PE、L + N、L + PE、N + PE、L + N + PE，每个持续时间为 120 s 的测试条件下，该板在测试期间能正常驱动电机，未出现系统崩溃、复位或损坏的情况，显示出良好的抗干扰能力。

6.4 IGBT dV/dt 测试

通过连接示波器探头测量 IGBT 集电极 - 发射极电压（$VCE$）在导通和关断切换时的波形，计算得到当低侧 IGBT 导通时，$VCE$ 的 dV/dt 为 5.24 V/ns；当低侧 IGBT 关断时，dV/dt 为 2.8 V/ns。用户可根据需要进一步调整 $R_{g}$ 值来控制 IGBT 的 dV/dt。

总的来说，REFFRIDGED111TRC2SL 参考设计板在冰箱压缩机驱动应用中具有很多优势，但在使用过程中也需要严格遵循相关的安全注意事项和操作流程。希望这篇博文能为各位电子工程师在涉及冰箱压缩机驱动设计时提供有价值的参考。你在使用类似参考设计板时遇到过哪些问题呢？欢迎一起交流讨论。