CoolSiC™ MOSFET电机驱动评估板Eval - M5 - E1B1245N - SiC深度解析

在电机驱动应用领域，一款优秀的评估板能为工程师们提供便捷的测试和开发环境。今天我们就来深入了解一下Infineon的CoolSiC™ MOSFET电机驱动评估板Eval - M5 - E1B1245N - SiC，它专为7.5 kW电机驱动应用而设计，下面将从多个方面对其进行详细剖析。

文件下载：EVALM5E1B1245NSICTOBO1.pdf

一、安全注意事项

在使用Eval - M5 - E1B1245N - SiC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. 高压测量：该系统的直流母线电位与电网输入相连，使用示波器测量电压波形时，必须使用高压差分探头，否则可能导致人身伤害甚至死亡。而且，显示LED变暗并不意味着电容器已放电至安全电压水平。
2. 电容放电：系统包含直流母线电容器，主电源移除后，电容器需要时间放电。在对驱动系统进行操作前，需等待五分钟，确保电容器放电至安全电压水平。
3. 人员资质：只有熟悉驱动和辅助机械的人员才能进行系统的安装、启动和后续维护，否则可能导致人身伤害和设备损坏。
4. 表面温度：驱动表面可能会变热，可能会造成烫伤。
5. 静电防护：系统包含对静电放电（ESD）敏感的部件和组件，在安装、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。
6. 正确应用：驱动器应用或安装不当，可能导致组件损坏或缩短产品寿命。如电机选型过小、交流电源不正确或不足、环境温度过高等都可能导致系统故障。
7. 断电操作：在断开或重新连接电线或进行维修前，必须先移除驱动器的电源，并等待五分钟让母线电容器放电，直到母线电容器放电至零后才能进行维修。
8. 包装材料：评估板发货时带有包装材料，安装前必须移除，否则可能导致过热或异常运行。

二、评估板简介

Eval - M5 - E1B1245N - SiC评估板是iMOTION™模块化应用设计套件（iMOTION™ MADK）的一部分，可通过iMOTION™ MADK - M5 32针接口连接器与控制板（如XMC DriveCard 4400或XMC DriveCard 1300）轻松连接。

它基于英飞凌的三相功率模块，是一个易于使用的功率级。板上配备了相输出分流器，可实现无传感器控制，还提供三相交流连接器、EMI滤波器、整流器和三相输出，用于连接电机。功率级还包含隔离的电流、电压和温度传感电路。

该评估板可通过英飞凌的常规分销合作伙伴以及英飞凌网站获取。不过需要注意的是，它仅经过功能测试，在安全要求、整个工作温度范围或寿命方面的制造和操作并未经过全面认证，仅适用于实验室条件和专业人员使用。

三、设计特点

3.1 主要特性

• 功率模块：采用EasyPACK™ 1B 1200 V / 45 mΩ六管模块，集成CoolSiC™ MOSFET，具有低电感设计，并且采用无铅端子镀层，符合RoHS标准。
• 温度传感器：集成NTC温度传感器，可实时监测模块温度。
• 电气特性：输入电压范围为340 ~ 480 VAC，最大电机功率输出可达7.5 kW。
• 保护功能：具备过载、短路和过温硬件保护功能，出现保护时所有六个开关会关闭。
• 驱动技术：采用坚固的栅极驱动技术，对瞬态和负电压具有稳定性。
• 辅助电源：提供5 V辅助电源，测量测试点与标准示波器探头兼容。
• PCB特性：PCB尺寸为259 mm x 204 mm，有四层35 μm铜层，同样符合RoHS标准。

3.2 功能组

评估板的功能组分布在顶部和底部，具体如下：

1. 交流输入部分：包括带保险丝的交流输入连接器、用于过压保护的压敏电阻、EMI滤波器。
2. 整流及预充电部分：整流器带有预充电继电器和预充电NTC电阻，直流母线包含电容器、平衡电阻和直流母线连接器。
3. 功率模块部分：功率模块FS45MR12W1M1_B11带有相电流分流器，以及高低侧MOSFET驱动器。
4. 控制及测量部分：包括用于控制器的连接器、隔离的MOSFET驱动器电源、直流母线电压测量电路、过流检测和测量分流器等。
5. 散热部分：整流器和功率模块安装在散热器上，散热器配备风扇。

3.3 引脚分配

评估板的各个连接器引脚分配明确，以下是一些主要连接器的引脚详情：

• AC输入连接器X1：包含三相线和地线。
• 电机侧连接器X2：用于连接电机，包括地线和三相连接。
• 驱动板连接器X10：是与控制板的接口，包含电流、电压、温度等信号输出，以及使能和故障信号。
• 风扇连接器X4：为两个12 V风扇提供电源，最大输出电流限制为180 mA。
• 直流母线连接器X6：连接直流母线电容器的正负极和中点。
• 数字测量连接器X7：提供三相电流和直流母线电压的ΔΣ调制输出及时钟信号。

3.4 模拟测量调整

为了实现输出电流的精确测量和对称过流检测，需要调整模拟信号的偏移电压。通过调整R554，可使软件读取的电流为零或电流测试点的电压接近2.5 V。由于组件公差，无法同时将三个电流精确调整为零。而直流母线电压测量偏差较小，无需进行偏移补偿。

四、原理图和布局

4.1 概述

评估板的原理图可分为输入电路、辅助电源、功率级和测量四个子类别。外部控制板通过X10驱动板连接器与评估板连接，逻辑地通过电阻R12至R14接地。

4.2 输入电路

输入电路配备两个NTC电阻，用于限制浪涌电流。启动辅助电源并经过一定延迟时间后，电阻被旁路。直流母线由四个电解电容器、一个薄膜电容器和四个陶瓷电容器组成，电解电容器串联并通过两个电阻进行平衡。

4.3 EMI滤波器

评估板配备了EMI滤波器电路，但未经过公共电网连接认证，需要使用实验室电源、隔离变压器或其他隔离设备。该滤波器旨在减少高频发射，但对电网电流的低次谐波抑制效果不佳，如需满足谐波标准，需使用额外的市电线路扼流圈。

4.4 辅助电源

所有电源电压由一个反激式转换器从直流母线生成，该转换器在477 Vdc的母线电压（约340 Vac输入电压）下开始工作。它使用英飞凌的ICE5QSAG控制IC，电源电压通过基本绝缘与直流母线电位隔离。反激式转换器产生三个电压：初级侧的17.6 V非调节电源用于控制IC，次级侧产生15 V调节电源和间接调节的 +6 V电源。15 V电源主要用于MOSFET驱动电路，通过线性调节器从中导出 -5 V电源用于模拟电路的负电源，正模拟电源直接连接到 +6 V电源，该电压轨还用于为控制器和过流阈值生成 +5 V电源。如果使用低于反激式转换器启动阈值的低直流母线电压，可以通过测试点TP651、TP656和TP661使用外部电源供电。

4.5 功率级

功率级的三相腿连接到一个薄膜电容器和四个陶瓷电容器，其中两个陶瓷电容器直接连接到功率模块前的电流测量分流器。薄膜电容器有两种可选封装，高频电容器尽可能靠近功率模块放置，以减少开关时的过电压。电流测量分流器用于检测输出短路，过流保护电路监测分流器电压，在过流情况下禁用所有开关。每个相的输出电流通过分流电阻测量，分流电压由隔离的ΔΣ - DAC测量，其电源来自顶部驱动器电源电路的额外电压级别。直流母线电压通过分压器和相同的隔离ΔΣ - DAC测量，该DAC由低侧驱动器电源的额外驱动电压供电。功率模块的NTC用于生成与温度相关的测量电压 (V_{th })。

4.6 驱动电路

每个MOSFET由英飞凌的MOSFET EiceDRIVER 1EDI20H12AH驱动，输出无需特殊电路。正输入通过额外的毛刺滤波器和下拉电阻保护，所有负输入连接在一起用于全局 /ENABLE信号。整流电路为每个驱动器生成三个电压级别：用于安全关闭功率MOSFET的调节负电压、用于开启功率MOSFET的 +15 V电压，以及用于额外电流和电压测量的 +5 V电压。调节负电压可通过在X8针头上放置跳线进行八级调整，调整时需注意负载条件可能导致功率开关意外开启，且在开关条件下不得更改跳线。

4.7 热敏电阻输出

功率模块的温度通过模块集成的NTC电阻测量，NTC电阻通过10 kΩ串联电阻连接到5 V，产生的NTC电压通过增益为2的放大器馈送到控制板。如有需要，可通过更换电阻R617、R620、R621和R623改变信号电平。

4.8 电流测量

三相电流通过分流电阻测量，每个分流电压由隔离的ΔΣ - 调制器测量，调制器产生20 MHz时钟频率的ΔΣ - 调制比特流输出，该调制器由整流电路的 +5 V输出供电。

4.9 电压测量

直流母线电压通过分压器和隔离的ΔΣ - 调制器测量，原理与电流测量类似。

4.10 数模转换器

评估板包含四个离散数模转换器，将数字ΔΣ - 调制比特流转换为模拟信号，用于板上保护和外部控制器。转换通过带宽约为6.5 kHz的二阶低通滤波器完成。在零输入时，ΔΣ - 转换器产生占空比为50%的比特流，可通过R5564电位器调整低通滤波器的参考电压，实现三个电流的偏移调整。四个ΔΣ - 调制比特流可直接在X7针头上测量。

4.11 过流 / 短路保护

监测功率模块直流路径中3 mΩ分流器电压的电路使用具有过流保护功能的低侧驱动器，英飞凌的1ED44176N01F具有0.5 V过流触发阈值，对应标称电流阈值为167 A。在IC的OCP引脚处放置低通滤波器，其时间常数为484 ns，用于阻挡由于测量分流器及其连接的寄生电感在快速电流上升时产生的高压尖峰。检测到过流时，驱动器的EN/FAULT引脚被拉低，连接的光耦合器LED点亮，光耦合器的隔离侧变低，/FAULT信号被拉低，所有MOSFET驱动器关闭，从过流到MOSFET栅极变低的总时间延迟约为1 μs。该电路由低侧栅极驱动器电源供电，该电源参考低侧MOSFET源极（在分流器前），通过二极管（D61）解耦并用电容器（C64）缓冲，过流情况下会有大约1 V的电压降，但仍足以供电。

4.12 PCB布局

评估板的PCB布局专为评估目的设计，有多个测试点，不一定适合满负载连续运行。PCB有四层35 µm铜层，尺寸为204 mm x 259 mm，厚度为1.6 mm。如需了解更多布局设计和最新Gerber文件信息，可联系技术支持团队。

五、物料清单

文档中详细列出了评估板的物料清单，包括螺丝、二极管、IC、电阻、电容、电感、变压器、保险丝、继电器、连接器、风扇、散热器等各种组件的数量、描述、标识、型号和制造商。

六、测量

6.1 热测量

在上述负载条件下对评估板供电一小时以上后，进行了热成像测量。在18 kHz开关频率下，测量到模块温度 (T_{Modul } ≈92^{circ} C) 。为评估100 kHz开关频率下的热行为，将电流降低，直到模块温度再次达到约92°C，此时输出电流为8 ARMS。

6.2 EMI测量

根据DIN EN 55011标准，通过32 A – LISN连接到电网对评估板的传导EMI发射进行了测量。测量结果显示，发射几乎达到了工业使用（DIN EN 55011，A类，1组，≤20 kVA）的阈值限制。使用小型外部共模扼流圈（如Vacuumschmelze W 424 - 53带三匝的扼流圈）可将发射抑制到限制以下。

七、总结

Eval - M5 - E1B1245N - SiC评估板为工程师提供了一个全面的平台，用于评估CoolSiC™ MOSFET在电机驱动应用中的性能。其丰富的功能和保护机制，以及详细的测量数据，有助于工程师更好地了解和应用该技术。在使用过程中，务必严格遵守安全注意事项，以确保人身和设备安全。大家在实际应用中是否遇到过类似评估板的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。