EVAL_FAN_XMC_PFD7：100W无传感器FOC电机驱动评估板解析

在电机驱动领域，不断追求高效、低成本和紧凑设计是工程师们的目标。英飞凌的EVAL_FAN_XMC_PFD7评估板，为电机驱动应用提供了一个完整的解决方案。下面我们就来详细了解一下这款评估板。

文件下载：EVALFANXMCPFD7TOBO1.pdf

一、安全注意事项

在使用EVAL_FAN_XMC_PFD7评估板时，安全是首要考虑的因素。以下这些安全注意事项必须严格遵守：

1. 接地与测量：评估板系统的地电位偏置为负直流母线电压电位，使用示波器测量电压波形时，示波器的接地必须隔离，否则可能导致人身伤害或死亡。而且，显示屏LED变暗并不意味着电容已放电到安全电压水平。
2. 人员资质：只有熟悉驱动器及相关机械的人员才能规划或实施系统的安装、启动和后续维护，否则可能导致人身伤害和/或设备损坏。
3. 表面温度：驱动器表面可能会发热，可能会造成烫伤。
4. 静电防护：评估板包含对静电放电（ESD）敏感的部件和组件，安装、测试、维修时需要采取静电控制措施，否则可能导致组件损坏。
5. 正确使用：驱动器应用或安装不当可能导致组件损坏或产品寿命缩短，如电机选型过小、交流电源供应不正确或环境温度过高等都可能导致系统故障。
6. 断电操作：断开或重新连接电线或进行维修前，必须先断开驱动器电源并锁定，等待三分钟让母线电容放电，直到电容电压降为零才能进行维修，否则可能导致人身伤害或死亡。

二、评估板概述

2.1 简介

EVAL_FAN_XMC_PFD7评估板由英飞凌推出，它采用了µC/Probe™ XMC™平台，这是一个基于Windows的应用程序，能在运行时以非侵入方式读写XMC™微控制器的内存，通过图形化仪表盘实现电机控制中关键控制回路实时数据的可视化，并可微调电机参数以满足目标应用需求。同时，该评估板可通过XMC™ Link轻松连接，XMC™ Link是适用于所有XMC™微控制器的隔离调试探头，基于SEGGER J-Link调试固件，能与DAVE™和ARM®生态系统中的主要第三方编译器/集成开发环境配合使用。

2.2 特点总结

• 低物料清单成本：采用CoolMOS™ PFD7和XMC™算法，降低了BOM成本。
• 高效解决方案：具备高度的效率，能有效提升能源利用效率。
• 无传感器FOC：实现无传感器的磁场定向控制，简化了系统设计。
• 易于使用：配备图形用户界面（GUI），方便用户操作。

2.3 优势

• 高效率：在电机驱动过程中能有效降低能耗，提高能源转换效率。
• 成本效益高：通过优化设计和选用合适的组件，降低了整体成本。
• 简化设计：集成了多种功能模块，减少了外部元件的使用，简化了电路设计。
• 加速上市时间：为用户提供了完整的解决方案，缩短了产品开发周期。

2.4 目标应用

该评估板适用于主要家用电器和小型家用电器，如排水泵、空调、户外风扇和吊扇等应用。

三、主要特性

3.1 关键数据

3.1.1 CoolMOS™ PFD7特性

CoolMOS™ PFD7是英飞凌的最新系列，集成了快速体二极管，非常适合电机驱动应用，尤其在家用电器中，能在轻载条件下实现高效率。它具有以下特点：

• 600V技术：集成快速体二极管，能承受较高的电压。
• 低开关损耗：由于低反向恢复电荷（(Qrr)）和反向恢复时间（(t_{rr})），在体二极管重复换向时能有效降低开关损耗。
• 可控制的di/dt和dv/dt：便于工程师进行电路设计和优化。
• 低输出电容能量存储（(Qoss)）：有助于提高系统效率。
• 片上ESD保护：符合HBM 2类标准，增强了器件的可靠性。
• 低导通电阻（(R_{DS(on)})）：在SOT - 223封装中可达360 mΩ。

3.1.2 与IGBT的比较

在传导模式下，单极MOSFET表现得像一个电阻，而双极IGBT器件则像一个电阻与二极管串联。在电机驱动应用中，当开关频率约为20 kHz时，传导损耗是主要的损耗来源，特别是在部分负载点，MOSFET的导通电阻（(R{DS(on)})）对提高轻载效率起着关键作用。随着负载电流的减小，IGBT的电压保持相对恒定，而MOSFET的电压则根据其(R{DS(on)})线性降低。

3.2 评估板规格

评估板的重要规格如下：	参数	数值	条件
输入电压	85 - 264 Vrms	-
输入频率	50/60 Hz	-
输入电流	1.5 Arms	-
输出功率（三相）	100 W	-
每相电流	500 mA	-
直流母线最大电压	370 V	-
直流母线最小电压	120 V	-
电流反馈	-
相电流检测器件	0.05 Ω（R61, R62, R71）	默认配置使用三个发射极分流器进行检测
总电流保护器件	0.25 Ω（R57）	-
输出电流跳闸水平	2.4 A	可通过改变分流电阻或调整比较器阈值进行配置
板载电源	12 V（±5%，最大250 mA）	用于逆变器栅极驱动器供电
板载电源	5 V（±5%，最大50 mA）	用于微控制器供电以及电流检测和过流保护电路

3.2.1 功能组

评估板的功能组分布在顶部和底部，包括逆变器级（CoolMOS™ PFD7）、分流电阻、板载电源（12 V和5 V生成）等部分。

四、引脚分配

4.1 AC线连接器

AC线连接器可连接直流电压，此时直流电流将通过整流桥传导。评估板通过一个3 A的板载保险丝进行保护，同时需注意整流桥的温度。

4.2 电机侧连接器

提供三相电机侧连接的详细信息，方便用户进行电机连接。

4.3 速度控制电位器

用于控制电机速度，通过电位器连接实现速度调节。

4.4 8针调试连接器

支持通过串行线调试（SWD）和串行端口调试（SPD）进行调试，默认的调试连接包括SWD和全双工UART通信。

4.5 霍尔传感器连接器

提供霍尔传感器接口，为每个霍尔传感器信号提供上拉电阻和+5 V电源。

五、原理图和布局

5.1 EMI输入滤波器和整流电路

从AC线输入连接器到整流后的直流母线电压的电路包括一个无源EMI滤波器、一个2 A/600 V整流块和一个NTC浪涌电流限制器，用于保护电路免受浪涌电流的影响。同时，使用电解电容和陶瓷电容对整流后的直流母线电压进行缓冲。

5.2 三相逆变器（使用CoolMOS™ PFD7）

三相功率逆变器采用六个CoolMOS™ PFD7（IPN60R2K0PFD7S）实现，每个逆变器桥臂的低侧路径都有一个分流器用于相电流测量，同时还可以测量公共直流母线电流。通过调整栅极电阻（(R{Gon}=100 Omega)）和添加电容（(C{gs}=0.47) nF），可以控制dv/dt和减少米勒耦合，提高EMI性能。

5.3 电源

控制电源采用CoolSET™ ICE5QR4770AG，从85 V AC到265 V AC的交流输入电压提供非隔离的+12 V输出，线性稳压器（IFX1763XEJV50）从+12 V生成+5 V电源，用于供电过流比较器电路和XMC微控制器。

5.4 QR控制器（CoolSET™）

5.4.1 系统优势

采用第五代QR CoolSET™（ICE5QR4770AG）的QR反激式转换器拓扑设计的3 W电源，集成了CoolMOS™，简化了PCB设计和布局。通过改进的数字频率降低功能和专有的QR操作，在宽交流范围内提供更低的EMI和更高的效率，同时增强的ABM功率提供了待机功率操作范围选择的灵活性和ABM期间的QR操作，提高了整个负载范围内的系统效率。此外，ICE5QR4770AG还实现了多种可调节的保护功能，保护系统免受各种故障模式的影响。

5.4.2 CoolMOS™ C3到P7的优势

从旧一代的C3 CoolMOS™技术切换到最新的P7 CoolMOS™技术，可降低器件的栅极驱动损耗，减小导通电阻随温度的变化，同时降低输出电容能量存储与电压的关系。不过，在无缓冲设计中，为了实现无缓冲操作，需要添加额外的电容，部分抵消了这些优势。

5.4.3 准谐振反激式控制器

准谐振反激式控制器通过利用反激式的DCM谐振周期，仅在谷底开启MOSFET，减少了MOSFET的开关损耗，降低了系统的整体开关损耗和开关噪声，从而减少了辐射和传导发射。

5.4.4 无缓冲设计

去除RCD缓冲网络，采用无缓冲设计可提高整体效率，虽然需要在MOSFET的漏源极添加一个100 pF的电容来存储满载时的泄漏能量，但仍能实现净效率提升，同时减少电路板面积和设计成本。

5.5 CS和OCP电路

该电路提供硬件和软件电流检测功能，通过对直流母线分流电阻上的平均电流进行采样，检测过流情况。一旦发生过流，将按比例降低参考电机速度，直到电流在用户配置文件定义的范围内。同时，三相电机电流通过差分运算放大器分别检测，并反馈给微控制器，总电流通过分流电阻R57检测，触发开关Q1向微控制器发送故障信号，中断脉宽调制（PWM）并立即停止电机输出。

5.6 DC母线电压测量

微控制器的引脚2.4可用于访问直流母线电压，通过DC总线感测电阻将0 - 400 V的直流母线电压转换为0 - 5 V的电压范围输入到微控制器。如果不需要从“DC VOLTAGE”引脚获取反馈，应移除R3或R9以避免连接器上出现高压。

5.7 输出电压（BEMF）信号分压器

功率逆变器的输出可以通过信号(BEMF_U)、(BEMF_V)和(BEMF_W)进行监测，比例为611 V:5 V。

5.8 EiceDRIVER™ 2EDN非隔离式MOSFET栅极驱动器

5.8.1 简介

2ED28073J06F是一款高压、高速功率MOSFET和IGBT驱动器，具有独立的高端和低端参考输出通道，采用专有HVIC和抗闩锁CMOS技术，逻辑输入与标准CMOS或LSTTL输出兼容，输出驱动器具有高脉冲电流缓冲级，可驱动高达600 V的N沟道功率MOSFET或IGBT。

5.8.2 主要特点

• 最大阻断电压：+600 V IGBT/MOSFET栅极驱动。
• 匹配的传播延迟：确保信号传输的准确性。
• 输入逻辑兼容性：与多种逻辑电平兼容。
• 欠压锁定（UVLO）保护：防止在电压过低时器件异常工作。
• 高级输入滤波器：提高抗干扰能力。
• 短脉冲/噪声抑制：增强系统的稳定性。
• 集成自举功能：简化电路设计。
• 符合JEDEC标准：经过高温应力测试，具有良好的可靠性，ESD符合HBM 2类标准。

六、板信息

6.1 板布局

评估板提供了顶部和底部的布局视图，方便用户了解各组件的分布情况。

七、板原理图

详细的板原理图为工程师进行电路分析和设计修改提供了依据。

八、物料清单

文档中列出了评估板的物料清单，包括各种组件的型号、封装和制造商等信息，方便用户进行物料采购和替换。

九、修订历史

记录了文档的版本信息和发布日期，以及每次版本更新的描述。

英飞凌的EVAL_FAN_XMC_PFD7评估板为电机驱动应用提供了一个全面、高效、低成本的解决方案。工程师们在使用过程中，需严格遵守安全注意事项，充分发挥评估板的各项特性，以实现电机驱动系统的优化设计。大家在实际应用中是否遇到过类似评估板的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。