引言

飛兆半導體開發(fā)了一種逆變器參考設計 （IRD），用于展示新型 FTCO3V455A1 三相車用功率模塊 （APM）的 使用。計劃用于中等功率 （1-2 kW） 12 V 三相逆變器應用。最適合應用于汽車領域，如電動助力轉向系統(tǒng)、電動空調、變速箱潤滑泵和其它車輛應用。此 IRD 工具包旨在提供一個快捷、經(jīng)濟的平臺，可在完整的三相逆變器配置中進行 APM 的評估和應用。只需添加合適的電子系統(tǒng)控件，就能以最少的時間和投資實現(xiàn)電機驅動解決方案。IRD 的照片如圖1所示。

特性

FTCO3V455A1 三相功率模塊

光輸入隔離

三個半橋式柵極驅動器

逆變器直流母線電流檢測放大器

模塊溫度轉換電路

感測相位電壓放大反饋

過流和過溫關斷電路

電池反向和電壓瞬態(tài)保護電路

可選三通道電流檢測器板（通常是 兩相加直流母線）

系統(tǒng)概述

帶有三通道電流傳感器板（可選）的逆變器參考設計 （IRD） 評測板可展示車用功率模塊的使用。本文完整地描述了功率模塊、逆變器驅動、信號控制和典型的工作特性。系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。

整個 IRD 的控制電源由一個 12 V 的電源提供。此外，整個系統(tǒng)還必須包含一個大電流電池作為電源，通過逆變橋向負載電機供電。如果需要，可通過一個 12 V 電源同時為這兩個功能供電。

前述大電流電池通過直流母線繼電器和差模/共模濾波電路，最終連接到逆變橋。繼電器控制電路提供電池反向保護機制，只有電池連接的極性正確、電壓合格，繼電器才會接通。

使用 Y-電容和共模扼流圈進行直流母線濾波，以濾除電池電壓源產(chǎn)生的共模噪聲。通過 L-C PI 電路和一對差模電容器對逆變橋電壓作進一步濾波。

在 12 V 控制電源上接出一個 3.3 V 線性穩(wěn)壓電路，用于為所有邏輯和放大電路供電。

由于柵極驅動電路需要維持足夠的輸出電壓才能保障 APM 所有柵極驅動器的需要，所以三個柵極驅動器由 12 V 的控制電源直接供電。

逆變橋器件的開關由八個數(shù)字輸入信號（6 個柵極、繼電器控制加故障清除信號）控制，通過光電耦合器陣列連接。這些輸入以一個公共數(shù)字輸入連接為參考電壓，并與其它所有 IRD 電路隔離。該浮動公共連接可連接至評測板的地，也可保持完全隔離以提供更高的控制器抗噪能力。

模擬輸出和數(shù)字輸出信號以評測板的公共端接地 （GND） 為參考電壓。有關這些 I/O 信號的范圍、縮比和說明等詳情，請參見表 1。

引腳信號說明類型縮比FLPF

輸入輸出增益

J1A-1VFB-V-LINK直流母線電壓模擬輸出0 V 至 20 V0 V 至 2.5 V0.125300 Hz

J1A-2VFB-V-P1相位 1 電壓 FB模擬輸出0 V 至 20 V0 V 至 2.5 V0.125300 Hz

J1A-3VFB-V-P2相位 2 電壓 FB模擬輸出0 V 至 20 V0 V 至 2.5 V0.125300 Hz

J1A-4VFB-V-P3相位 3 電壓 FB模擬輸出0 V 至 20 V0 V 至 2.5 V0.125300 Hz

J1A-5VFB-I-LINK直流母線電流 FB模擬輸出-250 A 至 +250 A0 V 至 2.5 V1013 kHz

J1A-6過溫過溫 FB 標記數(shù)字輸出140° C0 V 至 3.3 V--

J1A-7OI過流 FB 標記數(shù)字輸出150 A0 V 至 3.3 V--

J1A-8VFB-TEMP模塊溫度 FB模擬輸出 參見圖 7--

J1B-1PWR-12V-C系統(tǒng)輸入功率電源----

J1B-2PWR-GND系統(tǒng)輸入接地電源----

J1B-3FIN1相位 1 驅動輸入隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-4FIN2相位 2 驅動輸入隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-5FIN3相位 2 驅動輸入隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-6FEN1相位 1 驅動啟用隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-7FEN2相位驅動啟用隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-8FEN3相位 3 驅動啟用隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-9+5V+5 V 輸出電源電源----

J1B-10FLT-CLR故障清除信號隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-11RLY-CTRL繼電器控制信號隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-12IN-COM浮動輸入公共端電源----

表 1： 信號 I/O 連接

模塊說明

本 APM 包含一個三相 MOSFET 橋、電流檢測支路、R-C 電壓緩沖電路和一個溫度檢測熱敏電阻 （NTC）。其一側為十四個信號連接，另一側為五個電源連接。這十九個連接焊接在 IRD 的焊盤上。該模塊在底部還有一塊電氣隔離的銅質散熱片，必須額外連接外部散熱器。整個模塊的示意圖如圖 3 所示。

輸入隔離

逆變器驅動和輸入控制信號的隔離通過雙通道高速輸入信號光電耦合器實現(xiàn)。八條數(shù)字輸入通道的每一條都通過光電耦合器實現(xiàn)光隔離，并以 IN-COM 引腳作為公共接地連接。

該電路配置提供逆變器和外部微控制器之間的完全隔離。由于光電耦合器輸入由電流驅動，故而可在較寬的輸入電壓范圍內運 行。輸入電壓必須提供不低于 2 mA 且不超過 20 mA 的光電二極管驅動電流。因此，最小的“邏輯高”輸入電平信號是 5 伏特以上的任何電壓，可達 20 伏特。“邏輯低”電平信號是 1.6 伏特以下的任何電壓。通過減小光電耦合器輸入電阻的阻值可以實現(xiàn)更低的輸入電壓電平。

柵極驅動器

IRD 上裝的是三相功率模塊，包含六個獨立的 MOSFET 器件。每個 MOSFET 器件都需要一個柵極驅動電流放大器進行控制。這些電流驅動功能由三個半橋式柵極驅動器芯片提供。

柵極驅動器電路包含三塊 FAN7393A 半橋式柵極驅動器芯片，每個功率橋臂一塊。每個柵極驅動器芯片需要三個輸入信號： 非_關斷 （SD/）、輸入 （IN） 和死區(qū)時間 （DT）。

死區(qū)時間信號用于調整一個器件關斷和（給定相位橋臂）另一個器件導通之間的停留時間，從而避免出現(xiàn)短路（或稱“直通”）狀況。該時間通過一只可調電阻設置，從 DT 端子連接至地。可調電阻的初始值設置為 22 k?，等于 1 μs 的鎖定期。

柵極驅動芯片輸出的電阻電路提供雙向柵極驅動器輸出電流。該配置在器件關斷期間提供等于器件導通期間一半的柵極電阻。如此可單獨調節(jié)功率器件的導通和關斷時間。

放大器

提供板載放大器電路來控制三相電壓，以及直流母線電壓、檢測電流信號和 NTC 熱敏電阻。通過將一組運放器組成調整后的差分放大電路來監(jiān)控三相電壓和直流母線電壓。使用輸入濾波分壓電路來限制施加到放大器芯片上的的絕對電壓并同時起到低通濾波器的作用。

圖 4 顯示低通濾波電路的一個實例。有關截止頻率、信號范圍、增益和失調參數(shù)的詳細信息，請參見表 1。

電壓放大器的設計可確保完全消除信號中的高頻成分，只保留電機的基波頻率。這些濾波電壓信號在輸出連接器上提供，可參見表 1。模塊的內部電流檢測信號也以類似的方式放大。

電流檢測放大器的直流增益和濾波器截止頻率如表 1 所示。該放大器能夠將支路的低電平信號處理為一個有用的高電平控制信號。轉換所得的電流信號在輸出連接器上提供。它還連接至過流檢測電路，令其信號電平與 參考電壓相比較，后者設置為指示過流狀況。如果插上過流故障啟用跳線，則任何支路電流值超過 150 A 都會觸發(fā)過流故障電路，進而禁用逆變橋。不論跳線如何連接，I/O 連接器處都會出現(xiàn)過流故障信號，因此可用在不需要板載過流故障檢測電路的控制軟件中。

APM 模塊包含一個內部熱敏電阻，安裝在靠近 MOSFET 芯片的位置，用作模塊功率器件的過溫保護。

模塊的溫度信號電平與指示過溫故障 （OT） 狀況的參考電壓相比較。如果插上過溫故障啟用跳線，則只要電壓所代表的溫度超過 140°C，就會觸發(fā)過溫故障電路。不論跳線是否連接，I/O 連接器處都會出現(xiàn)過溫故障信號，因此可用在不需要板載過溫故障檢測的控制軟件中。可通過調節(jié)設置比較器參考電壓的電阻值來改變過溫和過流觸發(fā)電平。

故障保護

本 IRD 包含一個板載故障保護電路，可在嚴重過流或過溫狀況下保護功率模塊。插上跳線 J2 和 J3 后，過流 （OI） 和過溫 （OT） 信號即連接至故障保護電路。在故障狀況下，保護電路將覆蓋禁用全部三個柵極驅動電路的三個輸入啟用信號。一旦觸發(fā)故障，故障 LED 就會發(fā)出紅光，表示已出現(xiàn)故障并且逆變器已鎖至空閑狀態(tài)。

一旦發(fā)生故障，可按以下三種方式之一進行逆變器復位：

關斷控制電源再重新打開

按下 PCB 板上的復位按鈕

在 FLT-CLR 端子上提供一個邏輯“高”信號（參考 I/O 連接器 IN-COM 端子的電平）。

故障保護電路如圖 5所示。

直流母線濾波器和繼電器

大電流電池通過“功率模塊”上的 POS（正）和 NEG（負）端子連接至 IRD。它通過繼電器 K1 連接至逆變橋，然后由共模/差模和 pi 濾波電路進行濾波。此外，瞬態(tài)電壓保護由 TVS 和齊納箝位器件提供。繼電器由低側 MOSFET 開關控制，由外部隔離數(shù)字輸入信號操作。之所以可以實現(xiàn)電池反向保護，是因為繼電器只有當存在電池電壓并且極性正確時才會加電。直流母線濾波器和繼電器電 路如圖 6 所示。

電流檢測板

本 IRD 系統(tǒng)提供一個可選的三通道電流檢測板，直接安裝在 IRD 電路板的輸出區(qū)域。每個電流檢測器通道都包含一個限頻低通濾波 （LPF） 電路，用于控制電流檢測系統(tǒng)輸出頻寬。這三個通道可用于測量三相電流。或者用于測量直流母線電流和兩相電流。

所用的三個電流檢測器為 LEM HAIS-100P，額定 300 安培峰值電流。這些檢測器的輸出范圍為 5 V ，帶有與零電流輸入信號對應的 2.5 V 偏移。