EVAL - M3 - CM615PN评估板：电机驱动设计的理想之选

在电机驱动应用领域，一款性能出色的评估板对于工程师进行设计和测试至关重要。今天我们就来详细了解一下英飞凌（Infineon）的EVAL - M3 - CM615PN评估板，看看它在电机驱动设计中能为我们带来哪些便利和优势。

文件下载：EVALM3CM615PNTOBO1.pdf

一、安全注意事项

在使用EVAL - M3 - CM615PN评估板之前，务必牢记安全注意事项。该系统的接地电位偏向负直流母线电压电位，使用示波器测量电压波形时，必须隔离示波器的接地端，否则可能导致人身伤害、死亡以及设备损坏。只有熟悉驱动器和相关机械的人员才能进行系统的安装、启动和后续维护工作。此外，驱动器表面可能会发热，要防止烫伤。同时，评估板包含对静电放电（ESD）敏感的部件，安装、测试、维修时需采取静电控制措施。

二、评估板简介

EVAL - M3 - CM615PN评估板是iMOTION™模块化应用设计套件（MADK）的一部分，用于电机驱动。要运行电机，需要匹配的控制板与该功率板进行接口连接。该套件平台可将各种功率级与不同的控制板结合使用，通过30针的iMOTION™ MADK M3接口（如Eval - M3 - 102T）或20针的iMOTION™ MADK M1接口连接器与控制板连接。此评估板配备30针M3连接器，仅用于单电机和升压功率因数校正（PFC）控制。

评估板基于英飞凌的CIPOS™ Mini智能功率模块（IPM），提供了基于无传感器磁场定向控制（FOC）的易用功率级。它具备单相交流连接器、整流器、PFC电感连接器、升压PFC以及三相输出接口，用于连接电机。功率级还包含用于电流传感的发射极分流器和用于直流母线电压测量的分压器。

三、主要特性

3.1 CIPOS™ Mini IPM IFCM15P60GD特性

• 逆变器部分：具有3个半桥，采用TRENCHSTOP™ IGBT3 15A/600V和反并联二极管。
• PFC部分：配备30A/650V TRENCHSTOP™ 5 IGBT和快速开关发射极控制二极管。
• 环保设计：无铅端子镀层，符合RoHS标准。
• 低热阻：由于采用直接覆铜陶瓷基板（DCB），具有极低的热阻。
• 可靠的驱动技术：采用坚固的SOI栅极驱动技术，对瞬态和负电压具有稳定性。
• 其他特性：允许负电位高达VS = - 11V（VBS = 15V时单传输），集成自举功能，具备过流关断、温度监测、欠压锁定、低侧公共发射极、交叉传导防止等功能，在保护期间所有六个开关都会关闭。

3.2 评估板特性

• 输入电压：160 ~ 265VAC。
• 输出功率：最大650W电机功率输出。
• 功率因数校正：具备功率因数校正功能。
• EMI滤波：板载EMI滤波器。
• 电流传感：采用单分流器进行电流传感。
• 辅助电源：提供15V和3.3V辅助电源。
• 保护功能：具备过流保护、过温硬件保护、直流母线电压传感、热敏电阻输出、故障诊断输出等功能。
• 测试点：测量测试点与标准示波器探头兼容。
• PCB特性：PCB尺寸为120mm × 120mm，两层结构，每层铜厚35μm，符合RoHS标准。

3.3 评估板规格

参数	值	条件/注释
输入电压	165 - 265V rms	较低的交流输入会导致电机功率输出降低
输入电流	3.15A rms	输入220V AC，Ta = 25°C，IFCM15P60GD
输出功率（三相）	650W	输入220V AC，fPWM = 6kHz，Ta = 25°C，Th = 80°C
每相电流	2.32A rms	输入220V AC，fPWM = 6kHz，Ta = 25°C，Th = 80°C
最大直流母线电压	420V	-
最小直流母线电压	120V	-
PFC开关频率	60kHz（最大）	受控制板限制（Eval - M3 - 102T最大50kHz）
逆变器开关频率	20kHz（最大）	-
PFC电流传感电阻R1	30mΩ	-
逆变器电流传感电阻RS2	30mΩ	RS2是IPM逆变器部分的公共发射极电流传感电阻
PFC门极关断保护水平	15.5A峰值	可通过PFC电流传感电阻RS1或调整比较器阈值分压电阻R17进行配置
输出电流跳闸水平	15.7A峰值	通过改变分流电阻RS2进行配置，ITRIP正向阈值为470mV
温度跳闸水平	100°C	适用于控制板Eval - M3 - 102T
15V电源	15V ± 5%，最大50mA	用于CIPOS™ IPM栅极驱动器和LDO
3.3V电源	3.3V ± 2%，最大20mA	为控制板和保护电路提供3.3V电源
PCB材料	FR4，1.6mm厚，两层，35μm铜厚	-
PCB尺寸	120mm x 120mm	-
系统环境温度	0 - 50°C	-

3.4 引脚分配

评估板包含多个连接器，各连接器引脚分配如下：

• AC输入连接器J1：提供中性线、地线和交流线输入。
• PFC电感连接器J2：连接PFC电感的两侧。
• 电机侧连接器J4：连接电机的U、V、W相。
• 30针iMOTION™ MADK - M3接口连接器J3：作为与控制板的接口，包含PWM信号输入、电流传感输出、直流母线电压传感、热敏电阻输出等引脚。

四、入门指南

4.1 系统设置

要运行电机系统，需要将iMOTION™ MADK功率板（EVAL - M3 - CM615PN）与匹配的MADK控制板组合使用，并使用iMOTION™软件工具MCEDesigner和MCEWizard进行系统初始化、控制和微调。具体步骤如下：

1. 通过USB电缆将板载调试器的PC - USB连接器连接到PC。
2. 将EVAL - M3 - CM615PN的MADK M3 30针接口连接器（J3）连接到控制板。
3. 从www.infineon.com/imotion - software网页获取最新的“IMC102T - F064 MCE软件包”。
4. 将电机相输出连接到电机。
5. 使用MCEWizard输入电机和评估板硬件参数，并点击“Export to Designer file (.txt)”按钮生成系统驱动参数文件。
6. 将PFC电感连接到PFC电感连接器（J2）。
7. 将交流电源连接到电源输入连接器（J1）并开启系统电源。
8. 打开MCEDesigner，通过“File”菜单选择“Open”打开IMC102T设备的默认配置文件（.irc）。
9. 通过“File” > “Import Drive Parameters”导入系统驱动参数文件，并选择“Update All”单选按钮。
10. 通过“Tools > Programmer”将MCE固件和系统参数编程到iMOTION™ IC的内部闪存中。如果最新版本的MCE固件已经编程到IMC102T - F064 IC中，可以选择“Program Parameters”单选按钮跳过固件编程。最后点击“Start”按钮进行编程。
11. 点击控制栏中的绿色交通灯按钮启动电机。

4.2 iMOTION™开发工具和软件

iMOTION™开发工具MCEDesigner和MCEWizard的安装程序可从英飞凌iMOTIONTM网站（http://www.infineon.com/imotion - software）下载。板载调试器使用SEGGER J - Link的驱动进行与IMC102T - F064的UART通信，J - Link驱动将在MCEDesigner安装过程中安装。

4.2.1 MCEWizard设置概述

安装MCEWizard后，可在Windows桌面找到快捷方式。双击打开MCEWizard，通过下拉列表选择MADK控制板或功率板。如果最新的功率板未在MCEWizard工具中预配置，可选择其他相似的功率板并输入特定参数。完成所有问题回答后，点击“Calculate”和“Export to Designer File (.txt)”按钮保存参数文件。

4.2.2 MCEDesigner设置概述

安装MCEDesigner后，在Windows桌面打开快捷方式，打开“IMC102T_xx.irc”文件。通过“Tools”菜单选择“Programmer”，点击“Program Parameters”单选按钮，选择MCEWizard创建的驱动系统参数文件，最后点击“Start”按钮将参数文件编程到IMC102T - F064 IC中。编程完成后，MCEDesigner可用于启动/停止电机、显示电机电流轨迹、更改电机速度、修改驱动参数等。

五、硬件描述

5.1 升压PFC部分

该部分电路从交流输入连接器J1到整流后的直流母线电压DCP，包括无源EMI滤波器、整流桥、熔断器、NTC电阻和继电器。PFC部分使用CIPOS™ mini IPM实现，采用IRS44273L驱动IGBT，PFC电感应连接到J2。PFC IPM包含TRENCHSTOP™ 5 IGBT和快速开关发射极控制二极管，对于650W功率输出，PFC电感的电感值应大于3mH。

5.1.1 AC电压传感和MCEWizard配置

默认情况下，AC电压传感位于整流桥U1之前。对于EVAL - M3 - 102T控制板，应选择差分模式进行AC电压传感。功率板上AC电压传感电阻分压器的高侧电阻为2000kΩ，需在MCEWizard中进行配置，低侧电阻值可参考控制板用户手册。

5.1.2 与IRMCF188配合的AC电压传感硬件修改

对于控制板EVAL - M3 - 188和控制器IC IRMCF188，AC电压传感应位于整流桥U1之后。需要组装1MΩ的AC电压传感电阻R4和R14，并移除电阻R1和R10。

5.1.3 PFC外部电流反馈配置和计算

EVAL - M3 - 102T的PFC分流电阻RS1为30mΩ，电流输入值为分流电阻（毫欧）与外部电流传感放大器增益的乘积。根据基尔霍夫电压定律计算，EVAL - M3 - 102T和EVAL - M3 - CM615PN组合的电流输入为27.69mV/A。

5.1.4 PFC过流保护电路和PFC门极关断配置

当母线电流Ibus大于设定值时，PFC保护电路的输出PFCGK将触发低电平并激活。EVAL - M3 - CM615PN评估板的PFCGK激活设定电流为15.5A。控制板EVAL - M3 - 102T不使用外部PFC门极关断信号PFCGK。

5.2 逆变器部分

逆变器部分同样使用CIPOS™ mini IPM实现，包括优化的SOI栅极驱动器和由TRENCHSTOP™ IGBT和反并联二极管组成的三相逆变器。三对电容C11和C12、C13和C14、C15和C16用作自举电容，分别提供必要的浮动电源电压。

5.2.1 DC母线传感和MCEWizard配置

连接器J3的引脚14和26可访问直流母线电压DCBsense。默认情况下，电阻R25未安装在Eval - M3 - CM615PN上，相应的控制板上必须安装下拉电阻。如果在评估板或控制板上插入13.3kΩ的下拉电阻，DCBSense电压将在0 - 3.3V范围内反映0 - 420V的直流母线电压范围。功率板上DC母线传感电阻分压器的高侧电阻为2000kΩ，需在MCEWizard中进行配置，低侧电阻值可参考控制板用户手册。

5.2.2 电机外部电流反馈配置和计算

EVAL - M3 - 102T的电流输入值为分流电阻（毫欧）与外部电流传感放大器增益的乘积。根据基尔霍夫电压定律计算，EVAL - M3 - 102T和EVAL - M3 - CM615PN组合的电流输入为25mV/A。

5.2.3 逆变器过流保护和电机门极关断配置

电流传感信号I_Shunt通过电阻R32连接到ITRIP，ITRIP通过电容C21进行滤波。ITRIP正向阈值的典型值为470mV，逆变器输出峰值电流约为15.67A。当电机峰值电流超过设定值且持续时间超过ITRIP输入滤波时间时，VFO将触发低电平，即门极关断信号激活。对于iMOTION™ IMC1xx控制IC，有三种门极关断输入源类型。

5.3 热敏电阻/NTC特性和保护计算

评估板在30针连接器J3的引脚15提供热敏电阻/NTC输出，可通过电阻测量计算温度。

5.3.1 CIPOS™内部NTC - 热敏电阻特性

CIPOS™ mini IPM内置NTC的热敏电阻特性在不同温度下有不同的电阻值，其B常数为4092K。VFO引脚可直接访问NTC，需连接外部上拉电阻到+3.3V，以确保产生的电压可直接连接到微控制器。

5.3.2 过温硬件保护电路

VFO引脚不仅可直接访问NTC，还可在VDD引脚欠压或ITRIP触发过流检测时指示模块故障。在Eval - M3 - CM615PN和Eval - M3 - 102T评估设计套件中，VFO引脚直接连接到控制器IC IMC102T的门极关断引脚。对于iMOTION™ 100系列控制板，门极关断的最大输入低电压为0.8V，选择合适的电阻确保120°C时VFO电压为0.8V，当NTC温度继续上升时，门极关断将要求微控制器停止生成PWM脉冲。

5.3.3 NTC关断值计算和配置

外部NTC温度关断值可通过特定公式计算，并在MCEWizard中进行配置。例如，对于EVAL - M3 - 102T，控制板上的上拉电阻为4.87kΩ，EVAL - M3 - CM615PN上的电阻R35和R36分别为9.1kΩ和10kΩ。当设定温度为100°C时，关断值应为2.75V；当设定温度为85°C时，关断值应为2.87V。

5.4 辅助电源

辅助电源电路包括LNK306，用于直接从直流母线生成15V电源，VCC连接到CIPOS™ IPM内部的栅极驱动器。线性稳压器IFX1117ME V33从15V电源VCC生成3.3V电源，用于PFC过流比较器电路和过温硬件保护电路。VCC和3.3V电源也存在于30针iMOTION™ MADK - M3接口连接器J3上，为控制板上的电路供电。

5.5 原理图

文档提供了EVAL - M3 - CM615PN的PFC部分、逆变器部分和辅助电源部分的原理图，方便工程师进行电路分析和设计。

5.6 PCB布局

评估板的PCB默认有两个电气层，铜厚35μm，尺寸为120mm × 120mm，板厚1.6mm。其布局可用于不同电压或功率等级的应用。若需要更详细的信息和最新的Gerber文件，可联系技术支持团队。

六、物料清单

文档提供了EVAL - M3 - CM615PN的完整物料清单，包括电容、电阻、二极管、集成电路等各种元件的型号、数量、制造商等信息，方便工程师进行采购和组装。

七、参考资料

文中列出了相关的参考资料，如英飞凌CIPOS™ mini IPM IFCM15P60GD的数据手册、应用笔记、用户指南等，所有参考资料均可从英飞凌网站下载。同时，英飞凌提供产品注册