EVAL-M1-IR2214评估板：助力电机控制设计

一、引言

在电机控制和高功率电子转换器领域，合适的评估板对于技术人员验证和开发新设计至关重要。EVAL - M1 - IR2214评估板专为评估1200 V结隔离栅极驱动器IR2214SS而设计，搭配1200 V/50 A EconoPIM™3模块FP50R12KT4G，为工程师提供了一个强大的测试平台。本文将详细介绍该评估板的特点、功能、设计以及性能测试结果。

文件下载：EVALM1IR2214TOBO1.pdf

二、评估板概述

2.1 适用人群与用途

这份用户指南主要面向熟悉电机控制和高功率电子转换器的技术专家。评估板主要用于实验室环境下的设计导入、特性评估和测量，以及验证数据手册规格。需要注意的是，PCB和辅助电路并未针对最终客户设计进行优化。

2.2 订购信息

基础部件编号	封装	标准包装	可订购部件编号
形式	数量
EVAL - M1 - IR2214	MADK EVAL	盒装	1	EVALM1IR2214TOBO1
IR2214SS	SSOP24	带盘	2000	IR2214SSTRPBF
EVAL - M1 - 101T	MADK EVAL	容器	1	EVALM1101TTOBO2
FP50R12KT4G	AG - ECONO3	托盘	10	FP50R12KT4GBOSA1
ICE5QSAG	PG - DSO - 8	带盘	2500	ICE5QSAGXUMA1
IMBF170R1K0M1	PG - TO263 - 7	带盘	1000	IMBF170R1K0M1XTMA1
IFX25001TF V50	PG - TO252 - 3	带盘	2500	IFX25001TFV50ATMA1

三、重要注意事项与安全预防措施

3.1 重要注意事项

评估板仅用于演示和评估目的，并非商业化产品，不能用于可靠性测试或生产。其设计未考虑全工作温度范围和寿命的安全要求、制造和操作，也可能不符合CE等标准。用户需确保评估板的使用符合所在国家的相关要求和标准，同时要对评估板的适用性和文档信息的完整性、正确性进行评估，并承担使用过程中的责任。

3.2 安全预防措施

• 高压风险：评估板的直流母线电位高达800 VDC，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或死亡。
• 电容放电：评估板中的直流母线电容在移除主电源后需要时间放电，工作前需等待五分钟，直到电容放电至安全电压水平，切勿仅通过显示LED判断电容是否放电。
• 操作规范：断开或重新连接电线、进行维护工作前，需先移除或断开驱动器的电源，并等待五分钟让母线电容放电至零。
• 热防护：测试过程中评估板的散热器和设备表面可能变热，操作时需采取必要的防护措施。
• 人员要求：只有熟悉驱动器、电力电子和相关机械的人员才能进行系统的规划、安装、调试和维护。
• 静电防护：评估板包含对静电放电敏感的部件和组件，安装、测试、维修时需采取静电控制措施。
• 应用注意：错误的应用或安装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。
• 包装处理：安装前需移除评估板的包装材料，否则可能导致过热或异常运行。

四、评估板一瞥

4.1 交付内容

完整的EVAL - M1 - IR2214评估板包含用于辅助电源的子板。

4.2 框图

评估板的典型应用框图展示了其驱动无刷直流（BLDC）电机的功能。所有功率电路都集成在评估板中，整流器、制动和逆变器组合在功率集成模块（PIM）FP50R12KT4G中，子板为栅极驱动器和控制板提供电源。系统采用单分流配置，这在当前BLDC电机驱动应用中很常见。

4.3 主要特点

• 电源输入与保护：具备380 VAC三相输入，板上带有保险丝提供基本电气保护，还包含浪涌电流限制电路，确保上电安全。
• 紧凑设计：采用EconoPIM™3 FP50R12KT4G，将整流器、制动和逆变器集成在一个封装中，实现紧凑设计。
• 优化性能：搭配IR2214SS，具有去饱和保护、软过流关断、两级导通输出、独立的灌/拉输出等增强功能，优化系统性能。
• 辅助电源：板上提供+15 V和+5 V辅助电源。
• 接口兼容：M1接口与iMOTION™控制板兼容。

4.4 板参数和技术数据

参数	符号	条件	值	单位
			最小值	标称值	最大值
输入
输入电压	V IN	线电压，三相输入			480	V AC
输入电流	I IN	相电流			15	A
输出
输出电流	I OUT	RMS相输出电流			23	A
输出功率	P OUT	采用适当的冷却方法			10	kW
过流保护		MCEWizard中定义的峰值相输出电流			50	A
热保护
NTC过温阈值	VTH	MCEWizard中的配置	1.84	4.14		V
			100	25		℃
开关频率
逆变器频率	F SW			8		kHz
辅助电源
栅极驱动器电源	VCC			15		V
控制板电源				5		V
系统环境
环境温度		采用适当的冷却方法		25		℃
PCB特性
尺寸		长度		245		mm
		宽度		160		mm
		高度		65		mm
层数				2
PCB厚度				2		mm
铜厚度				2		oz.
重量		整个PCB组件的重量		1240		g
材料		FR - 4，符合RoHS标准

五、系统和功能描述

5.1 调试

5.1.1 运行BLDC电机

通过M1接口连接iMOTION™2.0控制板EVAL - M1 - 101T，EVAL - M1 - IR2214功率板可以驱动BLDC电机。需注意使用适当的冷却方法防止PIM过热，因为交付范围不包含冷却装置。

5.1.2 双脉冲测试

双脉冲测试用于检查栅极驱动器IR2214SS在极端工作条件下的鲁棒性，需检查负(V_{s})和VSS瞬态等关键数据是否在规格范围内。测试在W相进行，因为其接地回路最大。测试时需注意直流源的连接极性，若直流源无浪涌电流限制，母线电压应逐渐上升。

5.2 功能块描述

5.2.1 浪涌电流限制

为保护输入保险丝、整流器和母线电容免受上电时的大浪涌电流影响，采用浪涌电流限制电路。上电开始时，继电器断开，母线电容通过R56和R57充电；+15 V电源建立后（约100 mS），继电器闭合接管充电电流。R1、R2和R40用于将+15 V调节至+12 V，供继电器工作。

5.2.2 DC - link电压测量

母线电容需足够大以稳定母线电压，电阻R37、R43、R51和R54用于平衡串联电解电容上的电压。需注意EVAL - M1 - IR2214主板上的电阻R55未焊接，EVAL - M1 - 101T控制板上有一个13.3 kΩ下拉电阻。

5.2.3 EconoPIM™3 FP50R12KT4G

该模块将三相整流器、制动、逆变器和NTC功能块集成在一个封装中。

5.2.4 带IR2214SS的驱动电路

使用三个半桥栅极驱动器IR2214SS进行逆变器驱动。去饱和保护是IR2214SS的关键特性，为防止IC损坏，需将去饱和检测引脚DSH/DSL分别钳位到电源VB/+15 VCC和地参考VS/COM。为抑制IGBT开关引起的VSS和COM之间的电压尖峰，在COM和低侧IGBT发射极N1之间添加小电阻R6，同时需要电阻R5平衡高侧和低侧驱动回路的栅极电阻。三个IR2214SS IC的FLT_CLR、SY_FLT、FAULT/SD引脚分别连接在一起，任何一个IR2214SS报告故障都会关闭另外两个，MCU也可同步控制三个栅极驱动器。若去饱和保护触发，IR2214SS的FAULT/SD（引脚5）将被拉低，驱动输出禁用，需在FLT_CLR（引脚3）提供一个高电平脉冲清除故障并释放IC。在EVAL - M1 - IR2214板上，用户需按下按钮S1重新启用IC。

5.2.5 电流反馈

电流反馈电路使用四个10 mΩ/5 W SMD电阻并联，分流电阻值为2.5 mΩ。电流增益计算公式为： [begin{gathered} I U+=frac{R 110}{R 110+R 109} 5 V+frac{R 96}{R 100+R 101+R 102} frac{R 104}{R 104+R 100+R 106} 2.5 mph m current =2.143+39.6 mV / A end{gathered}] 若将此结果输入MCEWizard，需移除EVAL - M1 - 101T板上的电阻R6。

5.2.6 NTC - 热敏电阻配置

FP50R12KT4G内部集成了负温度系数（NTC）热敏电阻。NTC热敏电阻在25℃时电阻为5 kΩ，100℃时为493 Ω。EVAL - M1 - 101T控制板上已有一个4.87 kΩ上拉电阻，根据NTC - 热敏电阻配置，25℃时传感电压VTH为4.14 V，100℃时为1.84 V。在MCEWizard中，NTC - 热敏电阻过温电压阈值设置为1.84 V，以保护PIM免受超过100℃的温度影响。

5.2.7 辅助电源

辅助电源电路位于子板中，采用准谐振反激控制器ICE5QSAG和CoolSiC™1700 V SiC MOSFET IMBF170R1K0M1。子板中初级地、次级+15 V和+5 V参考地分开，但在主板上连接为同一网络。控制板电源设计为+5 V，以提高高功率操作中的信噪比。

5.3 iMOTION™开发工具和软件

EVAL - M1 - IR2214可通过连接外部控制板EVAL - M1 - 101T驱动BLDC电机，用户需根据系统和BLDC电机参数正确配置iMOTION™开发工具和软件。MCEDesigner和MCEWizard及支持文件可从英飞凌iMOTION™网站下载。

5.3.1 MCEWizard设置

用户需在MCEWizard中输入正确参数以运行BLDC电机，脉冲宽度调制（PWM）频率设置为8 kHz，常用于驱动商用空调（CAC）压缩机。需注意若使用2.2.5节计算的电流传感数据，需移除EVAL - M1 - 101T上的电阻R6。

5.3.2 MCEDesigner设置

MCEDesigner是用于访问或调试控制板的用户界面。

六、系统设计

6.1 原理图

EVAL - M1 - IR2214的原理图包括功率电路和辅助电源电路。

6.2 布局

6.2.1 布局细节

评估板的详细布局包括功率电路和辅助电源电路的顶层和底层视图。

6.2.2 布局指南

• (VCC)和(V_{BS})旁路电容应靠近IC。
• 驱动回路应尽可能小。
• 通过在分流电阻端子直接连接VSS和COM，使VSS和COM的回路尽可能小。
• 两个电流传感走线应从分流端子开始并彼此靠近放置。
• 对于540 VDC母线电压，间隙和爬电距离应足够，本布局中爬电距离设置为5.3 mm，符合IR2214SS要求。

6.3 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，下载需登录。重要组件包括1200 V半桥栅极驱动器IR2214SS、1200 V/50 A EconoPIM™3模块FP50R12KT4G等。

6.4 连接器细节

PIN	标签	功能
	L1	电源干线的L1相
	L2	电源干线的L2相
	L3	电源干线的L3相
	U	输出到电机的U相
	V	输出到电机的V相
	W	输出到电机的W相
	J1	iMOTION™ MADK - M1 20针接口连接器

七、系统性能

7.1 运行BLDC电机的测试结果

测试条件为输入380 Vac，相输出电流20 Arms，室温，BLDC电机为GK6081 - 6AC31 - FE，(I{0}=20 ~A)，(U{i}=135 ~V)，转速1200 r/min，扭矩40 Nm，PIM采用强制风冷散热器。上电后，IR2214SS的引脚5（FAULT/SD）初始为低电平，需按下按钮S1一秒后释放以清除故障状态并重新启用IR2214SS。运行BLDC电机时的波形显示栅极驱动信号无交叉导通，低侧去饱和检测引脚‘DSL’到‘COM’（VDSL - COM）有下冲，但仍在数据手册的 - 3 V限制范围内。通过短接W相高侧IGBT验证短路保护，检测到去饱和后，栅极信号(VGE_LS)在不到3 μS内开始关断，由于驱动器的软过流关断功能，关断过程非常柔和，可防止晶体管因过电压损坏，SY_FLT也被拉低报告去饱和故障。

7.2 双脉冲测试结果

测试条件为母线电压600 Vdc，开关电流50 A，电感200 μH。测试结果显示负(V{s})和VSS瞬态相对于COM仍在IR2214SS安全操作区域内。测试最坏负(V{s})和VSS瞬态时，电感连接在W相中点（连接器‘W’）和板上的地PGND（测试点‘PGND’）之间，双脉冲输入到HIN，需外部添加隔离电源+15 V为(V_{BS})供电。

八