探索EVAL_TOLT_DC36V_2KW：用于三相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電源板

前言

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，找到一款合適的評(píng)估電源板來(lái)驅(qū)動(dòng)電池供電的無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。今天，我們就來(lái)深入探討一下英飛凌（Infineon）的 EVAL_TOLT_DC36V_2KW 評(píng)估電源板，它采用了 OptiMOS? 5 60 V TOLT MOSFET 技術(shù)，專為電池供電的中壓 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，適用于高功率工具。

文件下載：Infineon Technologies EVAL_TOLT_DC36V_2KW評(píng)估板.pdf

一、關(guān)于 EVAL_TOLT_DC36V_2KW

1.1 適用人群與范圍

這份用戶手冊(cè)主要面向電池供電電動(dòng)工具制造商，以及熟悉三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)控制的工程師。該評(píng)估板用于驅(qū)動(dòng)帶有三個(gè)霍爾傳感器的三相 BLDC 電機(jī)，采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）6 步（塊）換向控制來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)速度。

1.2 重要注意事項(xiàng)

評(píng)估板和參考板僅用于演示和評(píng)估目的，并非商業(yè)化產(chǎn)品。它們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)考慮了環(huán)境條件，但未針對(duì)安全要求、全工作溫度范圍或使用壽命進(jìn)行全面測(cè)試。使用時(shí)，用戶需確保其操作符合所在國(guó)家的相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)，并且要對(duì)評(píng)估板的適用性進(jìn)行評(píng)估。

二、硬件設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

2.1 電源供應(yīng)系統(tǒng)

電源供應(yīng)是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。EVAL_TOLT_DC36V_2KW 采用了降壓轉(zhuǎn)換器（buck converter）將 24 - 36 V 的電池電壓降至 12 V，為柵極驅(qū)動(dòng) IC 供電。這里使用了英飛凌的 ILD8150 降壓 LED 驅(qū)動(dòng) IC，它原本用于 LED 驅(qū)動(dòng)器的恒流控制，經(jīng)過(guò)修改后可提供穩(wěn)定的 12 V 輸出。其采用的滯環(huán)控制器能實(shí)現(xiàn)極快的調(diào)節(jié)速度和穩(wěn)定的輸出電壓，同時(shí)具備良好的 EMI 性能。

為了給 XMC? 驅(qū)動(dòng)卡中的微控制器和電源評(píng)估板中的其他模擬電路供電，12 V 電壓會(huì)進(jìn)一步通過(guò)線性穩(wěn)壓器（LDO）降至 5 V。TLS205B LDO 可提供固定的 5 V 電源，最大輸出電流為 500 mA。此外，通過(guò)改變跳線 J3 的位置和移除電阻 R1，還可以使用外部 12 V 和 5 V 電源，方便調(diào)試。

2.2 柵極驅(qū)動(dòng)電路

在驅(qū)動(dòng)三相逆變器 MOSFET 時(shí)，英飛凌的 2EDL8124G 高低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng) IC 發(fā)揮了重要作用。它是一款具有增強(qiáng)抗噪能力的真差分輸入（Tdi）柵極驅(qū)動(dòng) IC，內(nèi)置遲滯功能，能有效避免因高電流應(yīng)用中 di/dt 引起的瞬態(tài)干擾而導(dǎo)致的誤觸發(fā)，這對(duì)于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要。而且，該柵極驅(qū)動(dòng) IC 在每個(gè) MOSFET 的開啟和關(guān)閉之間內(nèi)置了 2 ns 的延遲，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 TOLT MOSFET 封裝優(yōu)勢(shì)

IPTC007N06NM5 TOLT MOSFET 用于驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)相。其獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)，將引線框架翻轉(zhuǎn)，使漏極焊盤暴露在封裝頂部，這為散熱帶來(lái)了極大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)導(dǎo)熱絕緣材料（TIM）將熱量傳遞到散熱片上，能夠讓逆變器向負(fù)載提供更多的功率。與傳統(tǒng)的背面散熱方式相比，TOLT 封裝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 成本與功率提升：頂部散熱方式節(jié)省了冷卻系統(tǒng)的成本，同時(shí)提高了應(yīng)用的功率能力。
• PCB 布局優(yōu)化：由于散熱片不安裝在底部，可在 PCB 底部放置更多組件，增加了布局的靈活性。
• 電氣性能改善：增加了源極和漏極之間的距離（爬電距離），提高了電氣安全性。

2.4 散熱解決方案

為了確保 TOLT 封裝 MOSFET 的良好散熱，評(píng)估板采用了 Advanced Thermal Solutions 的定制散熱片（ATS - EXL110 - 300 - R0）。散熱片安裝在電路板頂部，通過(guò)底部的螺釘固定，扭矩設(shè)置在 1 - 2 in - lbs 之間。同時(shí)，使用了 Bergquist? gap pad? TGP 5000 作為導(dǎo)熱絕緣材料，其厚度為 500 μm，熱導(dǎo)率為 5 W/m - K，具有良好的熱性能和電氣絕緣性能。

2.5 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

為了保護(hù)三相逆變器的 MOSFET 免受過(guò)流損壞，評(píng)估板設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)（OCP）電路。每個(gè)相的逆變器支路都有一個(gè) 1 mΩ 的分流電阻，通過(guò)差分放大器測(cè)量分流電阻上的電壓降，并經(jīng)過(guò)積分器、緩沖器和低通濾波器處理后，將信號(hào)傳輸?shù)?XMC? 驅(qū)動(dòng)卡的微控制器進(jìn)行處理。當(dāng)檢測(cè)到的峰值電壓超過(guò) 4.8 V 時(shí)，比較器輸出高電平，觸發(fā) D 觸發(fā)器，使 MOSFET Q8 導(dǎo)通，拉低 SD 信號(hào)，從而關(guān)閉逆變器。這樣的設(shè)計(jì)將過(guò)流跳閘電平設(shè)置為 192 A 峰值，有效保護(hù)了電路元件。

2.6 電源板連接器

評(píng)估板使用 32 針連接器 U12 與 XMC1300 驅(qū)動(dòng)卡進(jìn)行連接。詳細(xì)的引腳分配在手冊(cè)中有明確說(shuō)明，涵蓋了接地、電源、信號(hào)傳輸?shù)榷鄠€(gè)功能，確保了電源板和驅(qū)動(dòng)卡之間的穩(wěn)定通信和數(shù)據(jù)傳輸。

三、控制與固件實(shí)現(xiàn)

3.1 梯形控制（六步或塊換向）

與傳統(tǒng)的同步電機(jī)使用正弦波電壓驅(qū)動(dòng)不同，BLDC 電機(jī)通常采用梯形控制，即塊換向或六步控制。在每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，有六個(gè)換向間隔，間隔為 60 度。這種控制算法簡(jiǎn)單，但會(huì)產(chǎn)生與三相電機(jī)電旋轉(zhuǎn)頻率六倍相關(guān)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，導(dǎo)致振動(dòng)和噪音。不過(guò)，對(duì)于電動(dòng)工具來(lái)說(shuō)，其性能是可以接受的。

在梯形控制中，通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)傳感器輸出的高低電平切換直流電壓到不同的相。XMC1300 系列微控制器具有足夠的處理能力來(lái)執(zhí)行這種控制算法。在每個(gè)換向步驟中，一個(gè)繞組通電，另一個(gè)繞組電流流出，第三個(gè)繞組處于非通電開路狀態(tài)，通過(guò)定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體之間的相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

3.2 P - I 控制

為了實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，評(píng)估板采用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，具體實(shí)現(xiàn)為比例 - 積分（P - I）控制。通過(guò) XMC1300 驅(qū)動(dòng)卡上的電位器設(shè)置速度指令值，固件根據(jù)霍爾傳感器輸入信號(hào)計(jì)算電機(jī)的實(shí)際速度，將設(shè)定值與實(shí)際值之間的誤差值輸入到 P - I 控制器中?？刂破鲗⒄`差值分別乘以比例系數(shù) $K{P}$ 和積分系數(shù) $K{I}$，然后將結(jié)果相加，得到控制值，最終應(yīng)用于功率級(jí)，調(diào)整輸出以匹配設(shè)定值。優(yōu)化 $K{P}$ 和 $K{I}$ 的值對(duì)于實(shí)現(xiàn)最小的延遲和過(guò)沖非常關(guān)鍵。

四、系統(tǒng)操作與性能評(píng)估

4.1 系統(tǒng)啟動(dòng)步驟

啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，需要按照以下步驟進(jìn)行操作：

1. 連接電機(jī)相位：將輸出相位連接到 BLDC 電機(jī)，注意相位順序，否則電機(jī)將無(wú)法正常運(yùn)行。
2. 連接霍爾傳感器：將三個(gè)霍爾傳感器通過(guò)連接器 X101 直接連接到 XMC1300 驅(qū)動(dòng)卡。
3. 連接驅(qū)動(dòng)卡與電源板：使用 32 針連接器將 XMC1300 驅(qū)動(dòng)卡連接到電源板。
4. 選擇電源供應(yīng)方式：如果使用板載電源，將 J3 的 1 腳和 2 腳短路；如果使用外部電源，將 J3 的 2 腳和 3 腳短路以使用外部 12 V 電源，移除 R1 以使用外部 5 V 電源。
5. 連接輸入電源：將輸入電源連接到 J1（+）和 J2（ - ）。

4.2 系統(tǒng)性能表現(xiàn)

4.2.1 工作波形分析

在高側(cè)調(diào)制與同步整流梯形控制方法下，通過(guò)示波器觀察到了不同時(shí)間尺度下的 MOSFET 柵源和漏源電壓以及相電流波形。這些波形直觀地展示了系統(tǒng)在不同工況下的工作狀態(tài)，對(duì)于分析系統(tǒng)性能和優(yōu)化控制策略具有重要意義。

4.2.2 功率測(cè)量結(jié)果

在輸入功率為 2 kW、輸入電壓為 36 V 的情況下，對(duì)系統(tǒng)的輸入和輸出進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果顯示，總輸出功率為 1808.28 W，效率達(dá)到了 98.08%，損耗僅為 35.32 W。這表明該評(píng)估板在功率轉(zhuǎn)換方面具有較高的效率。

4.2.3 熱測(cè)量情況

在輸入功率為 1850 W、輸入電壓為 36 V 的情況下，經(jīng)過(guò) 12 分鐘的運(yùn)行后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了熱成像測(cè)量。結(jié)果顯示，溫度僅上升了 57.2°C，這得益于 TOLT MOSFET 封裝和散熱片的有效散熱設(shè)計(jì)，確保了系統(tǒng)在高負(fù)載下的穩(wěn)定運(yùn)行。

五、原理圖與 PCB 布局

5.1 原理圖展示

手冊(cè)中提供了評(píng)估板各個(gè)部分的原理圖，包括輸入部分、相位功率級(jí)、板連接器、電壓調(diào)節(jié)器和保護(hù)電路等。這些原理圖詳細(xì)地展示了電路的連接方式和元件的使用，為工程師進(jìn)行電路分析和故障排查提供了重要依據(jù)。

5.2 PCB 布局特點(diǎn)

EVAL_TOLT_DC36V_2KW 板采用六層銅 PCB 設(shè)計(jì)，每層銅厚為 2 oz，板尺寸為 170 mm x 120 mm，材料為 1.6 mm 厚的 FR4 級(jí)。手冊(cè)中展示了頂層、中間層和底層的 PCB 布局圖，工程師可以根據(jù)這些布局圖了解元件的分布和布線情況，為 PCB 設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。同時(shí)，英飛凌網(wǎng)站的下載部分提供了 Gerber 文件，但需要登錄才能下載。

5.3 物料清單

完整的物料清單（BOM）也可以從英飛凌網(wǎng)站的下載部分獲取。清單中詳細(xì)列出了每個(gè)元件的型號(hào)、數(shù)量、制造商和規(guī)格等信息，方便工程師進(jìn)行采購(gòu)和替換。

總結(jié)

EVAL_TOLT_DC36V_2KW 評(píng)估電源板為電池供電的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供了一個(gè)全面的解決方案。其先進(jìn)的硬件設(shè)計(jì)、靈活的控制與固件實(shí)現(xiàn)、良好的系統(tǒng)性能以及詳細(xì)的文檔支持，使其成為電子工程師在設(shè)計(jì)高功率工具電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)的一個(gè)不錯(cuò)選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整，以滿足不同的工作場(chǎng)景和性能要求。你在使用類似評(píng)估板的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。