飛兆半導(dǎo)體開發(fā)了一種逆變器參考設(shè)計 （IRD），展示了新型FTCO3V455A1三相汽車電源模塊 （APM） 的使用。它適用于中等功率 （1-2 kW） 12 V 三相逆變器應(yīng)用。它最適用于汽車應(yīng)用，如電動助力轉(zhuǎn)向、電動空調(diào)、變速箱潤滑油泵和其他車輛應(yīng)用。IRD 套件旨在為在完整的三相逆變器配置中評估和應(yīng)用 APM 提供快速且廉價的平臺。只需添加適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電子系統(tǒng)控制，即可以最少的時間和投資實現(xiàn)電機驅(qū)動解決方案。

　　特征

• 　　FTCO3V455A1 三相電源模塊
• 　　光輸入隔離
• 　　三個半橋柵極驅(qū)動器
• 　　逆變器直流鏈路分流放大器
• 　　模塊溫度轉(zhuǎn)換電路
• 　　用于反饋的感測相電壓放大
• 　　過流和過溫關(guān)斷電路
• 　　反向電池和電壓瞬態(tài)保護電路
• 　　可選的三通道電流傳感器板（典型 2 相加直流鏈路）

　　系統(tǒng)總覽

　　逆變器參考設(shè)計 （IRD） 評估板帶有可選的三通道電流傳感器板，演示了汽車電源模塊的使用。本文包含對電源模塊、逆變器驅(qū)動、信號調(diào)理和典型工作特性的完整描述。系統(tǒng)框圖如圖 所示。

　　圖 ：IRD 框圖。

　　整個 IRD 的控制電源來自單個 12 V 輸入源。此外，系統(tǒng)必須配備大電流電池電源，用于通過逆變橋為負(fù)載電機供電。如果需要，可以使用單個 12 V 電源為這兩個功能提供電源。

　　大電流電池源在應(yīng)用于逆變橋之前通過直流鏈路繼電器和差模/共模濾波器網(wǎng)絡(luò)連接。繼電器控制電路提供了一個反向電池保護方案，其中繼電器不會通電，除非電池電源連接到正確的極性和足夠的電壓電平。

　　通過使用 Y 電容器和共模扼流圈，提供直流鏈路濾波以抑制共模電池電壓源噪聲。逆變橋電壓由 LC PI 網(wǎng)絡(luò)和一對差模電容器進一步濾波。

　　3.3 V 線性穩(wěn)壓器電路源自 12 V 控制源，用于為所有邏輯和放大器電路供電。

　　由于柵極驅(qū)動電路需要保持足夠高的輸出電壓以確保對 APM 進行全柵極驅(qū)動，因此三個柵極驅(qū)動器器件直接由 12 V 控制源供電。

　　逆變橋器件的開關(guān)由 8 個數(shù)字輸入信號（6 個門、繼電器控制和故障清除）控制，這些信號通過光耦合器陣列連接。這些輸入?yún)⒖紗蝹€通用數(shù)字輸入連接，并與所有其他 IRD 電路完全隔離。這種浮動公共連接可以連接到電路板接地或保持完全隔離以提供卓越的控制器抗噪能力。

　　模擬輸出和數(shù)字輸出信號以電路板公共地 （GND） 為參考。這些 I/O 信號的范圍、比例和描述在表 1 中有詳細(xì)說明。

　　表 1：信號 I/O 連接。

　　模塊說明

　　APM 包含一個三相 MOSFET 橋、電流檢測分流器、RC 電壓緩沖電路和一個溫度檢測熱敏電阻 （NTC）。它的一側(cè)有 14 個信號連接，另一側(cè)有 5 個電源連接。這 19 個連接被焊接到 IRD 上的焊盤上。該模塊的底部還有一個電絕緣銅散熱器，必須連接到外部散熱器。該模塊的原理圖如圖 所示。

　　圖 ：電源模塊內(nèi)部原理圖。

　　輸入隔離

　　逆變器驅(qū)動和輸入控制信號的隔離是通過使用雙高速輸入信號光耦實現(xiàn)的。八個數(shù)字輸入通道中的每一個都使用光電耦合器進行光隔離，并具有與 IN-COM 引腳的公共接地連接。

　　這種電路配置在逆變器和外部微控制器之間提供了完全隔離。由于光耦合器輸入是電流驅(qū)動的，它可以在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作。輸入電壓必須提供至少 2 mA 的光電二極管驅(qū)動電流且不超過 20 mA。因此，最小的“邏輯高”輸入電平信號是任何高于 5 伏的電壓，并且可以高達 20 伏。“邏輯低”電平信號是低于 1.6 伏的任何電壓。可以通過減小光耦合器輸入電阻的值來適應(yīng)較低的輸入電壓電平。

　　柵極驅(qū)動器

　　安裝在 IRD 上的是三相電源模塊，包含六個獨立的 MOSFET 器件。每個 MOSFET 器件都需要一個柵極驅(qū)動電流放大器來進行控制。這些電流驅(qū)動功能由三個半橋柵極驅(qū)動器 IC 提供。

　　柵極驅(qū)動器級由三個FAN7393A半橋柵極驅(qū)動器 IC 組成，一個用于電源橋的每個橋臂。每個柵極驅(qū)動器 IC 都需要三個輸入信號：not_shutdown （SD/）、輸入 （IN） 和死區(qū)時間 （DT）。

　　死區(qū)時間信號用于調(diào)整在一個設(shè)備關(guān)閉和另一個設(shè)備開啟之間（在給定的相腿中）應(yīng)用的駐留時間，以避免短路或“擊穿”情況。該時間通過一個從 DT 端子連接到地的編程電阻器來設(shè)置。最初，編程電阻的值設(shè)置為 22 kΩ，這將提供 1 μs 的鎖定周期。

　　柵極驅(qū)動器 IC 輸出端的電阻網(wǎng)絡(luò)提供雙向柵極驅(qū)動器輸出電流。這種配置將在器件關(guān)斷期間提供一半的柵極電阻，而在器件開啟期間則使用該配置。這允許獨立調(diào)整功率器件的開啟和關(guān)閉時間。

　　放大器

　　提供板載放大器電路來調(diào)節(jié)三相電壓、直流鏈路電壓、分流信號和 NTC 熱敏電阻。三相電壓和直流鏈路電壓通過一組運算放大器進行監(jiān)控，這些運算放大器以改進的差分放大器配置排列。分壓輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)用于限制施加到放大器 IC 的絕對電壓并提供低通濾波器。

　　圖 ?顯示了其中一個低通濾波器電路的示例。截止頻率、信號范圍、增益和偏移參數(shù)在表 1 中有詳細(xì)說明。

　　圖 ：電壓放大器電路。

　　電壓放大器的設(shè)計使得信號的高頻開關(guān)分量將被消除，只留下電機基頻。這些濾波后的電壓信號在輸出連接器上可用（參見表 1）。模塊的內(nèi)部電流分流信號也以類似方式放大。

　　電流分流放大器的直流增益和濾波器截止頻率如表1所示。該放大器能夠?qū)⒎至髌鞯牡碗娖叫盘柼幚沓捎杏玫母唠娖娇刂菩盘枴＾D(zhuǎn)換后的電流信號在輸出連接器上可用。它還連接到過流檢測電路，在此將其信號電平與設(shè)置為指示過流情況的電平的電壓參考進行比較。假設(shè)過流故障啟用跳線已到位，任何超過 150 A 的分流電流水平都會使過流故障電路跳閘，這將禁用逆變橋。無論跳線的狀態(tài)如何，過流故障信號都會出現(xiàn)在 I/O 連接器上，因此可以在獨立于板載過流故障檢測電路的控制軟件中使用。

　　APM 模塊包含一個內(nèi)部熱敏電阻，該熱敏電阻安裝在靠近 MOSFET 芯片的位置，以便為模塊的功率器件提供過熱保護。

　　將模塊的溫度信號電平與指示過熱故障 （OT） 條件的電壓參考值進行比較。假設(shè)過熱故障啟用跳線已就位，任何指示溫度超過 140°C 的電壓電平都會使過熱故障電路跳閘。無論跳線的狀態(tài)如何，過溫故障信號都會出現(xiàn)在 I/O 連接器上，因此可以在獨立于板載過溫故障檢測的控制軟件中使用。可以通過調(diào)整設(shè)置比較器參考電壓電平的電阻值來改變過熱和過流跳閘電平。

　　故障保護

　　IRD 具有板載故障保護電路，可在發(fā)生嚴(yán)重過流或過熱情況時保護電源模塊。當(dāng)跳線 J2 和 J3 就位時，過流 （OI） 和過熱 （OT） 信號連接到故障保護電路。在故障情況下，保護電路將覆蓋三個輸入使能信號，這將禁用所有三個柵極驅(qū)動器電路。一旦觸發(fā)故障，故障 LED 將呈紅色亮起，表示已發(fā)生故障并且逆變器已鎖定到空閑狀態(tài)。

　　一旦發(fā)生故障，逆變器可以通過以下三種不同方式中的任何一種進行復(fù)位：

　　關(guān)閉控制電源并重新打開

　　按下 PCB 上的復(fù)位按鈕

　　在 FLT-CLR 端子上相對于 I/O 連接器上的 IN-COM 端子呈現(xiàn)邏輯“高”信號。

　　故障保護電路如圖 ?所示。

　　圖 ：故障保護電路。

　　直流鏈路濾波器和繼電器

　　大電流電池源通過“電源塊”POS 和 NEG 端子連接連接到 IRD。它通過繼電器 K1 連接到逆變橋，然后通過共模/差模和 pi 濾波器網(wǎng)絡(luò)進行濾波。此外，瞬態(tài)電壓保護由 TVS 和齊納鉗位器件提供。繼電器由低側(cè) MOSFET 開關(guān)控制，該開關(guān)由外部隔離數(shù)字輸入信號操作。反向電池保護是通過以下事實來實現(xiàn)的：只有在電池電壓存在且正確極化的情況下，繼電器才能通電。直流鏈路濾波器和繼電器電路如圖 所示。

　　圖 ：大電流電池源濾波電路。

　　電流傳感器板

　　IRD 系統(tǒng)提供一個可選的三通道電流傳感器板，可直接安裝在 IRD PCB 的輸出區(qū)域。三個電流傳感器通道中的每一個都包括一個帶限低通濾波器 （LPF） 電路，用于控制電流傳感器系統(tǒng)的輸出帶寬。三個通道可用于測量三相電流。或者它們可用于測量直流鏈路電流和兩相電流。

　　使用的三個電流傳感器是 LEM HAIS-100P，額定峰值電流為 300 安培。傳感器的輸出范圍為 5 V，對應(yīng)于零電流輸入信號的偏移為 2.5 V。