EVAL-M1-IM241評估板：電機驅(qū)動應(yīng)用的理想之選

在電機驅(qū)動應(yīng)用領(lǐng)域，一款性能出色、功能豐富的評估板對于工程師們進行產(chǎn)品開發(fā)和測試至關(guān)重要。今天，我們就來詳細(xì)了解一下英飛凌（Infineon）的EVAL-M1-IM241評估板，它作為iMOTION?模塊化應(yīng)用設(shè)計套件（MADK）的一部分，為電機驅(qū)動設(shè)計帶來了諸多便利和創(chuàng)新。

文件下載：Infineon Technologies EVAL-M1-IM241 評估板.pdf

一、評估板概述

EVAL-M1-IM241評估板主要用于電機驅(qū)動應(yīng)用，與配備M1 20針接口連接器的控制板（如EVAL-M1-101T）配合使用，能夠展示英飛凌的CIPOS? Micro IPM技術(shù)和先進的運動控制引擎（MCE 2.0）技術(shù)，適用于永磁電機驅(qū)動。其搭載的IM241-L6T2B CIPOS? Micro IPM具有600 V電壓和6 A電流額定值，針對小型家用電器（如泵、風(fēng)扇等低功率電機驅(qū)動應(yīng)用）進行了優(yōu)化。

1.1 交付內(nèi)容

評估板的交付內(nèi)容包括已完成的電路板，板上提供了單相交流連接器、EMI濾波器、輸入整流器、直流母線電容器以及三相輸出接口，用于連接電機。此外，還包含基于CoolSET?的輔助電源，可提供15 V和3.3 V電壓，以及用于電流傳感和過流保護的發(fā)射極分流器和用于直流母線電壓測量的分壓器。工程師可以直接使用該評估板，無需額外添加組件。

1.2 框圖

評估板的框圖清晰地展示了其各個功能模塊的組成和連接關(guān)系。通過框圖，我們可以直觀地了解到評估板的整體架構(gòu)，為后續(xù)的電路分析和設(shè)計提供了重要參考。

1.3 主要特性

• 輸入電壓范圍廣：支持110~230 VAC輸入，滿足不同地區(qū)的電網(wǎng)要求。
• 高功率輸出能力：在220 VAC輸入時，最大電機功率輸出可達(dá)250 W。
• EMI濾波功能：板載EMI濾波器，符合EN55032標(biāo)準(zhǔn)，有效減少電磁干擾。
• 輔助電源穩(wěn)定：提供15 V和3.3 V輔助電源，滿足不同電路的供電需求。
• 多重保護機制：具備過流硬件保護和過溫保護功能，確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。
• 參數(shù)監(jiān)測功能：可對直流母線電壓進行傳感，并提供熱敏電阻輸出。
• PCB設(shè)計合理：PCB尺寸為100 mm × 100 mm，兩層2 oz.銅設(shè)計，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 板參數(shù)和技術(shù)數(shù)據(jù)

評估板的各項參數(shù)和技術(shù)數(shù)據(jù)詳細(xì)地列出了其性能指標(biāo)，包括輸入電壓、電流，輸出功率、電流，直流母線電壓，電流反饋，保護功能，輔助電源輸出等方面。這些數(shù)據(jù)為工程師在設(shè)計和使用評估板時提供了準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

二、系統(tǒng)和功能描述

2.1 啟動EVAL-M1-IM241

要運行電機系統(tǒng)，需要將iMOTION? MADK功率板（EVAL-M1-IM241）與匹配的MADK控制板（如EVAL-M1-101T）結(jié)合使用。具體步驟如下：

1. 編程設(shè)置：使用iMOTION?軟件工具（MCEDesigner和MCEWizard）對運動控制引擎（MCE）、系統(tǒng)和電機參數(shù)集進行編程，還可根據(jù)需要編程客戶腳本和集成系統(tǒng)的組合文件。
2. 系統(tǒng)連接：將EVAL-M1-101T控制板連接到EVAL-M1-IM241評估板，并將PC-USB連接器連接到EVAL-M1-101T。同時，連接220 V交流電源和電機的UVW輸出。
3. 參數(shù)設(shè)置：使用MCEWizard輸入目標(biāo)電機的系統(tǒng)和運行參數(shù)以及評估板的硬件參數(shù)，計算控制器的數(shù)字參數(shù)集。
4. 驗證保存：在“驗證與保存頁面”點擊“計算參數(shù)”按鈕，若無誤則保存驅(qū)動參數(shù)集。
5. 啟動電源：打開220 V交流電源，此時紅色LED1和LED2亮起。
6. 打開工具：啟動MCEDesigner工具，打開IMC101T設(shè)備的默認(rèn)配置文件。
7. 連接設(shè)置：若無法自動連接，可更改COM端口設(shè)置。
8. 空白IC處理：若IMC101T的固件已被擦除，需按照提示編程固件和參數(shù)文件。
9. 監(jiān)測調(diào)整：通過“VF診斷”功能監(jiān)測電機電流，調(diào)整目標(biāo)速度和Vd_Ext，直至示波器顯示穩(wěn)定的正弦電流。
10. 啟動電機：點擊控制欄的綠色交通燈按鈕或雙擊“啟動電機”子功能啟動電機。
11. 方向調(diào)整：檢查電機旋轉(zhuǎn)方向，若方向錯誤，可調(diào)整UVW連接順序或在MCE Designer中設(shè)置負(fù)目標(biāo)速度。
12. 性能調(diào)整：設(shè)置目標(biāo)速度約為最大速度的50%，啟動“Iu & Flx_M”跟蹤，根據(jù)Flx_M的值進行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整。

2.2 功能模塊描述

2.2.1 IM241-L6T2B概述

IM241-L6T2B CIPOS? Micro IPM是評估板電機逆變器的核心模塊，其內(nèi)部框圖展示了各個功能單元的組成。該模塊具有以下主要特性：

• 高電壓逆變器：600 V三相逆變器，包含柵極驅(qū)動器和自舉功能。
• 優(yōu)化IGBT：采用反向?qū)↖GBT Gen 2（RCD2），針對電機驅(qū)動進行了優(yōu)化。
• 溫度監(jiān)測：具備溫度監(jiān)測功能，可實時了解模塊的工作溫度。
• 精確過流保護：過流關(guān)斷精度為±5%，確保系統(tǒng)的安全性。
• 故障報告：支持故障報告和可編程故障清除功能。
• 輸入濾波：先進的輸入濾波器，具備直通保護功能。
• 低損耗設(shè)計：優(yōu)化的dV/dt，實現(xiàn)損耗和EMI的平衡。
• 電流傳感：支持單分流和腿分流電流傳感。
• 邏輯兼容：3.3 V邏輯兼容，方便與其他電路集成。
• 電氣隔離：2000 V RMS隔離，1分鐘耐壓。

2.2.2 ICE5GR4780AG概述

ICE5GR4780AG是英飛凌最新的第五代固定頻率CoolSET?，用于評估板的輔助電源。其內(nèi)部框圖和典型的隔離反激應(yīng)用展示了其工作原理和應(yīng)用場景。該器件具有以下主要特性：

• 集成MOSFET：集成700 V/ 800 V雪崩堅固型CoolMOS?。
• 增強模式：增強型有源突發(fā)模式，可選擇進入和退出待機功率。
• 頻率優(yōu)化：數(shù)字頻率降低功能，提高整體系統(tǒng)效率。
• 快速啟動：采用共源共柵配置實現(xiàn)快速啟動。
• 多種工作模式：支持DCM和CCM操作，具備斜率補償功能。
• 低EMI設(shè)計：頻率抖動和軟柵極驅(qū)動，降低電磁干擾。
• 軟啟動功能：內(nèi)置數(shù)字軟啟動功能。
• 反饋支持：集成誤差放大器，支持非隔離反激中的直接反饋。
• 全面保護：具備輸入線路過壓保護、VCC過壓、VCC欠壓、過載/開環(huán)、過溫等全面保護功能，且所有保護均為自動重啟模式。
• 充電電流限制：限制VCC短路到地的充電電流。

2.2.3 電機外部電流反饋配置和計算

評估板的電機外部電流反饋配置和計算基于基爾霍夫電壓定律進行。通過對相關(guān)電路的分析和計算，得出電流輸入值與分流電阻和外部電流感測放大器增益的關(guān)系。在EVAL-M1-101T和EVAL-M1-IM241的組合中，電流輸入為83.3 mV/A。

三、系統(tǒng)設(shè)計

3.1 原理圖

3.1.1 輔助電源

輔助電源原理圖展示了其電路組成，采用了英飛凌最新的CoolSET? 5（ICE5AR4780AG）和反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可直接輸出15 V和6 V電壓。VCC連接到CIPOS? IPM內(nèi)部的柵極驅(qū)動器，線性電壓調(diào)節(jié)器IFX25001ME V33從6 V電源生成3.3 V電壓，用于逆變器外部過流比較器電路。VCC和3.3 V電壓也通過20針iMOTION? MADK-M1接口連接器X3為控制板上的電路供電。

3.1.2 逆變器部分

逆變器部分采用CIPOS? Micro IPM實現(xiàn)，模塊包含優(yōu)化的反向?qū)↖GBT Gen 2（RCD2）和行業(yè)基準(zhǔn)的堅固半橋驅(qū)動器。分流電阻部分提供了不同的組合方式，可實現(xiàn)腿分流或單分流。三個電容器C24、C26和C33作為自舉電容器，分別提供必要的浮動電源電壓VBS1、VBS2和VBS3。

3.2 布局

評估板的PCB采用兩層140 μm銅（2 oz.銅）設(shè)計，尺寸為100 mm × 100 mm，厚度為1.6 mm。通過提供的頂層裝配圖、底層裝配圖、頂層布線圖和底層布線圖，我們可以清晰地了解到評估板的布局結(jié)構(gòu)，為PCB設(shè)計和優(yōu)化提供了參考。

3.3 物料清單

評估板的完整物料清單可在英飛凌主頁的下載部分獲取，下載需要登錄。文檔中列出了一些重要/關(guān)鍵部件的物料清單，包括集成電路、電源轉(zhuǎn)換模塊、電容器、電感器等，為工程師進行物料采購和替換提供了方便。

3.4 連接器細(xì)節(jié)

文檔詳細(xì)介紹了評估板各個連接器的信息，包括交流輸入連接器（X1）、電機UVW輸出連接器（X2）和20針iMOTION? MADK-M1接口連接器（X3）的引腳分配和功能說明。這些信息對于工程師進行電路連接和系統(tǒng)集成至關(guān)重要。

3.5 測試點

評估板上設(shè)置了多個測試點，用于信號測量。文檔提供了測試點的分配信息，包括各個測試點的名稱、功能和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽描述。工程師可以通過這些測試點對評估板的各項性能指標(biāo)進行測試和驗證。

四、系統(tǒng)性能

4.1 散熱器熱阻測試結(jié)果

通過使用直流電源導(dǎo)通IPM內(nèi)部二極管，監(jiān)測IPM的電流和電壓以及外殼溫度，計算出散熱器到環(huán)境的熱阻。測試結(jié)果表明，最終的外殼到環(huán)境熱阻約為7°C/W。

4.2 輸出能力測試結(jié)果

在不同的MADK輸入功率和電機輸出電流條件下，測試評估板的總輸出功率能力。測試結(jié)果以模塊外殼溫度與輸出功率的關(guān)系曲線形式呈現(xiàn)，為工程師在設(shè)計散熱系統(tǒng)和確定電機功率時提供了重要參考。

4.3 PWM范圍測試結(jié)果

在不同的PWM頻率下測試評估板的輸出能力。測試結(jié)果顯示了在不同PWM頻率下，評估板的輸出能力變化情況，幫助工程師選擇合適的PWM頻率，以滿足系統(tǒng)的性能要求。

4.4 過流保護

評估板的過流保護電路通過比較器將電流傳感信號I_Shunt與設(shè)定值進行比較，當(dāng)電機峰值電流超過設(shè)定值且持續(xù)時間超過輸入濾波時間時，觸發(fā)RFE信號，使GateKill信號有效，從而停止電機運行。對于iMOTION? IMC1xx控制IC，有三種Gatekill輸入源配置方式，不同配置方式下的工作原理有所不同。

4.5 短路保護

評估板的短路保護電路利用模塊的ITRIP引腳實現(xiàn)，濾波時間設(shè)計為2.2 μs。測試結(jié)果給出了短路保護的響應(yīng)時間參數(shù)，包括T_FL T、T_ITRIP和T_FL T - CLR，確保系統(tǒng)在短路情況下能夠快速響應(yīng)并保護設(shè)備安全。

4.6 EMI測試結(jié)果

在不同負(fù)載條件下進行EMI測試，測試結(jié)果表明評估板在10 kHz PWM、三相調(diào)制的條件下，對于GK6040電機，在0.28 A（20%）、0.7 A（50%）、1.4 A（100%）三種負(fù)載下均能通過EN55032標(biāo)準(zhǔn)，且有超過3 dB的余量，說明評估板具有良好的電磁兼容性。

五、參考和附錄

5.1 縮寫和定義

文檔提供了一些常用縮寫的含義解釋，如CE（Conformite Europeenne）、EMI（Electromagnetic interference）、UL（Underwriters Laboratories）、GK（Gate kill）等，方便讀者理解文檔中的術(shù)語。

5.2 參考資料

列出了相關(guān)的參考資料，包括英飛凌IM241-L6T2B、IMC101T-T038的數(shù)據(jù)手冊，MCEWizard和MCEDesigner的用戶指南和應(yīng)用指南，以及iMOTION?運動控制引擎軟件參考手冊等，為工程師進一步深入了解評估板和相關(guān)技術(shù)提供了參考依據(jù)。

5.3 訂購詳情和其他信息

評估板目前可接受小批量訂單，文檔提供了相關(guān)產(chǎn)品的訂購信息，包括基本零件編號、封裝形式、標(biāo)準(zhǔn)包裝數(shù)量和可訂購零件編號等。

綜上所述，EVAL-M1-IM241評估板憑借其豐富的功能、出色的性能和詳細(xì)的文檔支持，為電機驅(qū)動應(yīng)用的開發(fā)和測試提供了一個優(yōu)秀的平臺。無論是對于新手工程師還是經(jīng)驗豐富的專業(yè)人士，該評估板都具有很高的參考價值和實用意義。在實際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求對評估板進行進一步的優(yōu)化和改進，以滿足不同項目的要求。你在使用評估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)留言分享。