40V、1.5kW BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器REF_40VDC_1.5KW_SAW設(shè)計(jì)解析

在電子工程師的日常工作中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵且富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。今天，我們就來深入探討一下Infineon的REF_40VDC_1.5KW_SAW電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，它專為40V電池供電的無刷直流（BLDC）電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)，適用于高達(dá)1.5kW的戶外動(dòng)力設(shè)備等應(yīng)用。

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一、背景與需求

戶外動(dòng)力設(shè)備（OPE）涵蓋了割草機(jī)、吹風(fēng)機(jī)、修枝機(jī)和鏈鋸等工具。傳統(tǒng)的汽油動(dòng)力OPE存在體積大、重量重、噪音大以及產(chǎn)生二氧化碳排放等問題。隨著新的法律和環(huán)保法規(guī)的出臺(tái)，它們正逐漸被無繩電池供電的替代品所取代。24至40V的鋰離子電池組由于在低電流和安全電壓之間取得了平衡，非常適合這些應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)電池供電的OPE時(shí)，主要面臨以下三個(gè)挑戰(zhàn)：

1. 能量輸出最大化：在保持電機(jī)驅(qū)動(dòng)器盡可能小而輕的同時(shí)，提供足夠的功率以滿足扭矩和速度要求。
2. 熱管理：最小化電力轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱量，因?yàn)闊崃坎粌H會(huì)浪費(fèi)電池電量，還需要笨重的散熱器。因此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要以盡可能高的效率運(yùn)行。
3. 安全性：包括防止可能的故障和安全關(guān)機(jī)，以避免潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)和對(duì)用戶的傷害。

二、REF_40VDC_1.5KW_SAW電機(jī)驅(qū)動(dòng)板概述

該參考板是Infineon針對(duì)40V電池供電工具優(yōu)化的系統(tǒng)解決方案，支持無傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC）或梯形控制。默認(rèn)控制方法為無傳感器FOC，但通過替代固件，也支持帶霍爾傳感器的梯形或矢量操作。

硬件組成

參考板由三個(gè)半橋組成三相逆變器，每個(gè)半橋由一個(gè)低側(cè)和高側(cè)MOSFET（IQFH61N06NM5）組成，由Infineon的三相電機(jī)控制柵極驅(qū)動(dòng)器IC（6ED2742S01Q）驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器通過降壓調(diào)節(jié)器由40V電壓供電，降壓調(diào)節(jié)器的輸出再由線性穩(wěn)壓器降至3.3V，為MCU和其他IC供電。

輸入級(jí)

輸入級(jí)由兩個(gè)輔助電源和一個(gè)三相半橋柵極驅(qū)動(dòng)器組成，具有保護(hù)功能。當(dāng)電池電壓?jiǎn)⒂脮r(shí)，40V電壓供應(yīng)給輸入級(jí)的三個(gè)IC。降壓控制器（IC2）將電池電壓從40V降至12V，而IC3（Infineon的TLS203B0EJ V33）用作第二個(gè)輔助電源，為MCU和其他IC提供3.3V電壓。此外，電池電壓連接到Infineon的ISC015N06NM5LF2ATMA1斷開MOSFET，這些MOSFET作為安全開關(guān)，在檢測(cè)到故障時(shí)由Infineon的EiceDRIVER（1EDL8011）斷開電池電壓。

功率級(jí)

功率級(jí)由三個(gè)半橋組成三相逆變器，每個(gè)相使用兩個(gè)IQFH61N06NM5 MOSFET，適用于電池供電和低電壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。每個(gè)MOSFET并聯(lián)一個(gè)緩沖器，以抑制電壓瞬變，確保板的效率保持在98%或更高。功率級(jí)還集成了溫度傳感器，用于熱管理和保護(hù)。

電流傳感和驅(qū)動(dòng)級(jí)

使用運(yùn)算放大器IC（IC4）感測(cè)分流器（RS1、RS2和RS3）的輸出電流，并將電壓放大12倍。放大后的輸出被饋入Infineon的6ED2742S01Q柵極驅(qū)動(dòng)器（IC5）。6ED2742S01Q是基于絕緣體上硅（SOI）的柵極驅(qū)動(dòng)器，專為三相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有集成的自舉二極管和涓流充電泵，支持100%占空比操作。

保護(hù)電路

柵極驅(qū)動(dòng)器集成了保護(hù)電路，包括欠壓鎖定（UVLO）、過流保護(hù)（OCP）、直通保護(hù)和死區(qū)時(shí)間保護(hù)。這些保護(hù)功能確保了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的安全可靠運(yùn)行。

三、控制和固件

控制方法

參考板支持FOC和梯形控制（也稱為塊換向）兩種控制方法。

• FOC：使轉(zhuǎn)子與定子保持90°角度，三相繞組始終以不同的電流通電，以產(chǎn)生所需的定子磁通角度和大小。為了獲得最佳性能，使用三個(gè)分流器來感測(cè)半橋低側(cè)電流，提供足夠的相電流反饋以進(jìn)行矢量控制。
• 梯形控制：通過在六個(gè)階段中為兩個(gè)相通電120°來旋轉(zhuǎn)電機(jī)，允許六個(gè)定子矢量位置。該控制方法通常使用霍爾或巨磁阻（GMR）傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子速度和位置。

速度控制器

速度控制器的參數(shù)受機(jī)械負(fù)載的影響很大，包括庫侖摩擦（$T_{f}$）、粘性摩擦（B）和慣性（J）。在使用固件操作任何電機(jī)時(shí)，準(zhǔn)確測(cè)量或估計(jì)這三個(gè)參數(shù)并將其輸入到GUI或硬編碼到適當(dāng)?shù)念^文件中至關(guān)重要。

相位提前和MTPA

MTPA塊負(fù)責(zé)生成q和d軸電流的命令值，以最大化注入電機(jī)繞組的總電流的扭矩。通過求解扭矩方程，可以得到d和q軸電流命令值。

弱磁和MTPV

當(dāng)電機(jī)速度超過基速時(shí)，需要弱磁方法來降低電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)電壓，從而進(jìn)一步提高速度?？刂破魍ㄟ^積分器生成d軸電流，以削弱磁通并實(shí)現(xiàn)速度增加。

電流控制器

d和q電流命令用作電流控制器的輸入，輸出為電壓參考。最終，通過逆變器將電壓參考應(yīng)用于電機(jī)，以控制電流。

四、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

測(cè)試設(shè)置

使用示波器、電壓和電流探頭以及功率分析儀對(duì)參考板進(jìn)行各種測(cè)試。測(cè)試使用Magtrol測(cè)功機(jī)作為可調(diào)機(jī)械負(fù)載，連接到測(cè)試電機(jī)，用于測(cè)量扭矩和速度。在測(cè)試過程中，連接鼓風(fēng)機(jī)以防止設(shè)備過熱。

測(cè)試結(jié)果

• 功率測(cè)量：在電機(jī)以2N·m的扭矩運(yùn)行并達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入功率為1.06978kW，輸出功率為1.04974kW，效率為98.127%。
• 熱測(cè)量：在無氣流/風(fēng)扇、電機(jī)速度為4077rpm和2.0N·m負(fù)載的條件下，板的最熱區(qū)域位于中間相的分流器上，分流器在穩(wěn)態(tài)下達(dá)到的最高溫度為90.1°C，最低溫度為89.8°C，效率約為98.0%。
• 操作波形：在輸出功率為1kW、電機(jī)速度為4077rpm和2.0N·m負(fù)載的穩(wěn)態(tài)下，相電流范圍為29.79ARMS至30.5ARMS，波形保持平衡。U相的漏源電壓（$V_{DS}$）的最大電壓為40VPK - PK和40.4VPK - PK，開關(guān)電壓讀數(shù)均遠(yuǎn)低于電壓額定值的20%。

五、總結(jié)

REF_40VDC_1.5KW_SAW參考板滿足了電動(dòng)工具或三相電機(jī)設(shè)計(jì)中的要求和規(guī)格。其硬件設(shè)計(jì)合理，PCB布局優(yōu)化了熱耗散、減少了寄生效應(yīng)并提供了高電流路徑?？刂坪凸碳糠謱?shí)現(xiàn)了高效的電機(jī)控制，包括FOC控制算法。測(cè)試結(jié)果表明，該參考板在高負(fù)載條件下仍能保持約98%的效率，并且在速度控制、相位提前、MPTA、弱磁、MTPV和電流控制等方面表現(xiàn)出色。此外，GUI提供了參數(shù)定制和不同F(xiàn)OC選項(xiàng)的選擇，簡(jiǎn)化了產(chǎn)品開發(fā)過程并縮短了上市時(shí)間。

在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師可以根據(jù)具體需求對(duì)參考板進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整。你在電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中遇到過哪些挑戰(zhàn)？你認(rèn)為REF_40VDC_1.5KW_SAW參考板在哪些方面還可以改進(jìn)？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的看法。