引言

飛兆半導(dǎo)體開發(fā)了一種逆變器參考設(shè)計(jì) （IRD），用于展示新型 FTCO3V455A1 三相車用功率模塊 （APM）的 使用。計(jì)劃用于中等功率 （1-2 kW） 12 V 三相逆變器應(yīng)用。最適合應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)空調(diào)、變速箱潤滑泵和其它車輛應(yīng)用。此 IRD 工具包旨在提供一個(gè)快捷、經(jīng)濟(jì)的平臺，可在完整的三相逆變器配置中進(jìn)行 APM 的評估和應(yīng)用。只需添加合適的電子系統(tǒng)控件，就能以最少的時(shí)間和投資實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)半橋式柵極驅(qū)動(dòng)器

逆變器直流母線電流檢測放大器

模塊溫度轉(zhuǎn)換電路

感測相位電壓放大反饋

過流和過溫關(guān)斷電路

電池反向和電壓瞬態(tài)保護(hù)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(shè)計(jì) （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(qū)動(dòng)、信號控制和典型的工作特性。系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。

整個(gè) IRD 的控制電源由一個(gè) 12 V 的電源提供。此外，整個(gè)系統(tǒng)還必須包含一個(gè)大電流電池作為電源，通過逆變橋向負(fù)載電機(jī)供電。如果需要，可通過一個(gè) 12 V 電源同時(shí)為這兩個(gè)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(hù)機(jī)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(jìn)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(jìn)一步濾波。

在 12 V 控制電源上接出一個(gè) 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(qū)動(dòng)電路需要維持足夠的輸出電壓才能保障 APM 所有柵極驅(qū)動(dòng)器的需要，所以三個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器由 12 V 的控制電源直接供電。

逆變橋器件的開關(guān)由八個(gè)數(shù)字輸入信號（6 個(gè)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(gè)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(dòng)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(guān)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(biāo)記數(shù)字輸出140° C0 V 至 3.3 V--

J1A-7OI過流 FB 標(biāo)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(qū)動(dòng)輸入隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-4FIN2相位 2 驅(qū)動(dòng)輸入隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-5FIN3相位 2 驅(qū)動(dòng)輸入隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-6FEN1相位 1 驅(qū)動(dòng)啟用隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-7FEN2相位驅(qū)動(dòng)啟用隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-8FEN3相位 3 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)三相 MOSFET 橋、電流檢測支路、R-C 電壓緩沖電路和一個(gè)溫度檢測熱敏電阻 （NTC）。其一側(cè)為十四個(gè)信號連接，另一側(cè)為五個(gè)電源連接。這十九個(gè)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(zhì)散熱片，必須額外連接外部散熱器。整個(gè)模塊的示意圖如圖 3 所示。

輸入隔離

逆變器驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)。八條數(shù)字輸入通道的每一條都通過光電耦合器實(shí)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(qū)動(dòng)，故而可在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn) 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(qū)動(dòng)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(dá) 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(shí)現(xiàn)更低的輸入電壓電平。

柵極驅(qū)動(dòng)器

IRD 上裝的是三相功率模塊，包含六個(gè)獨(dú)立的 MOSFET 器件。每個(gè) MOSFET 器件都需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電流放大器進(jìn)行控制。這些電流驅(qū)動(dòng)功能由三個(gè)半橋式柵極驅(qū)動(dòng)器芯片提供。

柵極驅(qū)動(dòng)器電路包含三塊 FAN7393A 半橋式柵極驅(qū)動(dòng)器芯片，每個(gè)功率橋臂一塊。每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器芯片需要三個(gè)輸入信號： 非_關(guān)斷 （SD/）、輸入 （IN） 和死區(qū)時(shí)間 （DT）。

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

柵極驅(qū)動(dòng)芯片輸出的電阻電路提供雙向柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電流。該配置在器件關(guān)斷期間提供等于器件導(dǎo)通期間一半的柵極電阻。如此可單獨(dú)調(diào)節(jié)功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)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(yùn)放器組成調(diào)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(shí)起到低通濾波器的作用。

圖 4 顯示低通濾波電路的一個(gè)實(shí)例。有關(guān)截止頻率、信號范圍、增益和失調(diào)參數(shù)的詳細(xì)信息，請參見表 1。

電壓放大器的設(shè)計(jì)可確保完全消除信號中的高頻成分，只保留電機(jī)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(nèi)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?qū)⒅返牡碗娖叫盘柼幚頌橐粋€(gè)有用的高電平控制信號。轉(zhuǎn)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(shè)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(jìn)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(gè)內(nèi)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(hù)。

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(diào)節(jié)設(shè)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(hù)

本 IRD 包含一個(gè)板載故障保護(hù)電路，可在嚴(yán)重過流或過溫狀況下保護(hù)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(hù)電路。在故障狀況下，保護(hù)電路將覆蓋禁用全部三個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路的三個(gè)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(jìn)行逆變器復(fù)位：

關(guān)斷控制電源再重新打開

按下 PCB 板上的復(fù)位按鈕

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

故障保護(hù)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(fù)）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(jìn)行濾波。此外，瞬態(tài)電壓保護(hù)由 TVS 和齊納箝位器件提供。繼電器由低側(cè) MOSFET 開關(guān)控制，由外部隔離數(shù)字輸入信號操作。之所以可以實(shí)現(xiàn)電池反向保護(hù)，是因?yàn)槔^電器只有當(dāng)存在電池電壓并且極性正確時(shí)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(gè)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(gè)電流檢測器通道都包含一個(gè)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(gè)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(gè)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(yīng)的 2.5 V 偏移。