本文將介紹使用STM最新推出Cortex-M4內(nèi)核的MCU配合基于SLLIMM-nano二代系列功率模塊在冰箱上的FOC 單電阻無傳感器應(yīng)用。隨著國家能效政策的大力推廣，越來越多的電機應(yīng)用如洗衣機、風(fēng)機、洗碗機、油煙機開始采樣變頻技術(shù)。在傳統(tǒng)的電機驅(qū)動中，使用分立元件導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)制，可靠性降低，意法半導(dǎo)體（STM）推出針對小功率電機應(yīng)用開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高的功率模塊產(chǎn)品，稱之為SLLIMM（Small Low-Loss Intelligent Molded Module）小型低損耗智能集成模塊。在該模塊中分兩個系列，SLLIMM 系列和SLLIMM-nano系列。SLLIMM 系列為600V電壓，10A到30A電流，SLLIMM-nano二代 為600V電壓，5A電流。

　　軟件設(shè)計

　　STM32F302C8T6 是STM最新推出基于Cortex-M4內(nèi)核（內(nèi)部有8MHZ RC 可以16 鎖相環(huán)倍頻）帶有FPU（最大頻率72MHZ）的產(chǎn)品，針對高性能電機驅(qū)動應(yīng)用，其內(nèi)部集成了一路專門用于電機控制的Advanced Timer，最高工作頻率可達到128MHz，得益于Cortex-M4內(nèi)核強大的運算能力，內(nèi)部集成一個帶寬可達8.2MHZ高速運放模塊。強大的處理內(nèi)核，內(nèi)部集成高速運放足以滿足磁場定向控制（FOC）對數(shù)據(jù)實時運算的要求，性價比極具競爭力。

　　對于常見的內(nèi)嵌永磁同步電機（I-PMSM） ，如冰箱壓縮機，通常需要做飽壓啟動，會要求壓縮機在重載的情況下短時間能啟動成功，諸如類似滾筒洗衣，油煙機都會有類似的工作場景，所以ST在基于 Cortex-M4強大運算能力的基礎(chǔ)上導(dǎo)入高頻注入（HFI - High Frequency Injection）功能，確保壓縮機在大負載的環(huán)境下能在零速下順利啟動，進入正常運行模式。HFI功能需要基于STM提供的FOC SDK 4.0才能實現(xiàn)，同時STM也為了配合SDK 4.0的使用，在PC端提供了一個便捷易用的配置和在線實時調(diào)試軟件ST Motor Control Workbench，方便用戶快速入門（如圖1）。

　　圖1 ST Motor Control Workbench GUI

　　使用HFI功能，需要打開GUI 界面，在電機類型選擇中選擇”Internal PMSM”（目前HFI僅支持Ld

　　圖2 電機本體特征參數(shù)配置對話框

　　通過GUI右側(cè)的“Driver Management” 進入驅(qū)動管理模塊頁面，在出現(xiàn)的頁面中選擇“Speed Position Feedback Management” ，在彈出的對話框中選擇“Main sensor”標簽，通過“Sensor Selection”下拉選擇框，選中“ Sensor-less （ HFI + Observer ）” （圖 3） 。

　　圖 3

　　同時為了滿足HFI的調(diào)試要求，我們還需要進入通過GUI右側(cè)的“Control Stage”進入“DAC Functionality”對話框，配合MCU自帶的兩個DAC模塊輸出調(diào)試需要的電流和電角度信號（圖 4）。

　　圖 4

　　MCU的電流采樣的運放配置

　　由于STM32F302C8T6內(nèi)部集成了PGA和Op-Amp，GUI同時也提供了一個清晰明了的配置界面用于配置運放的增益參數(shù)。通過GUI右側(cè)的 “Control Stage”進入“Analog Input and Protection”對話框（圖5），選擇“Embedded PGA”。

　　圖 5

　　在“Sensing OPAMP”中選擇“Calculat”按鈕，我們可以進入運放的增益電路電阻選擇界面，如圖6。我們可以配置電路設(shè)計預(yù)定的采樣電流值，運放放大電路的電阻值，計算實際的電流放大倍率，配置產(chǎn)生的結(jié)果在界面右下方直接顯示出來，方便用戶核對。

　　圖 6

　　IPM

　　STGIF5CH60TS- L是STM最新推出的600V 5A 集成智能功率模塊，內(nèi)部集成了六個TGFS IGBT（Trench Gate Field-Stop IGBT）、高邊和底邊柵極驅(qū)動器 （內(nèi)部集成了自舉用二極管）。集成了死區(qū)時間控制、欠壓鎖定（Undervoltage Lockout）、過流保護、短路故障保護比較器、智能關(guān)斷功能（Smart ShutDown Function）、可選NTC。全塑封封裝，隔離可支持1500 Vrms/min，并有通過UL 1557認證。

　　圖 7

　　如圖 7，IPM內(nèi)部集成的IGBT單管連續(xù)電流可達5A，峰值電流持續(xù)1毫秒可達10A，短路承受時間可達5微秒，針對典型的電機控制開關(guān)頻率優(yōu)化，在飽和壓降VCE（SAT）和開關(guān)速度（tfall）之間選擇了一個權(quán)衡，最大限度的在傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損壞之間平衡，減少了參數(shù)dV/dt和dI/dt值，可實現(xiàn)較低的EMI特征。

　　低壓供電電壓與欠壓鎖定（UVLO）

　　按手冊提供的數(shù)據(jù)，可知IPM的低壓供電電壓VCC在-0.3V ~ 20V之間，該電壓為IPM的控制電路提供供電電源。在IPM內(nèi)部VCC端口處，集成了欠壓鎖定（UVLO）電路，如圖8，該電路會監(jiān)測VCC值。當 VCC低于VCC_thON閥值時，欠壓鎖定電路會關(guān)閉柵極驅(qū)動的輸出信號；當VCC達到并高于VCC_thON的閥值后，柵極驅(qū)動的輸出會被打開，同時提供一個大約1.5V左右的遲滯電壓VCC_hys，用來避免噪音的影響；當VCC 低于VCC_thOff閥值后，欠壓鎖定電路檢測到欠壓（UVLO）事件，內(nèi)部的IGBT會自動關(guān)閉，無論此時是否還存在輸出信號。

　　受驅(qū)動電路的影響，為確保IPM的驅(qū)動電路可靠、穩(wěn)定工作，需在供電電源部分設(shè)計時給予充分考慮，確保在負載波動情況下，該供電電壓的輸出波動能控制在 IPM可承受的合理范圍內(nèi)。同時為提高IPM的抗干擾能力，建議在IPM電源外圍增加濾波電路。通常的做法是使用一個電解電容（低ESR）和一個較小的陶瓷電容（幾百nF）并聯(lián)在VCC和GND之間，電容放置的位置應(yīng)盡可能靠近IPM電源端。

　　邏輯輸入信號

　　高壓柵極驅(qū)動HVIC有兩個邏輯輸入端HIN 和LIN，分別控制高壓端的高側(cè)輸出HVG和低側(cè)輸出LVG。所有的邏輯輸入電平都能兼容TTL 5V/CMOS 3.3V電平信號，并且在電路的硬件上提供了用于降低噪聲敏感度的遲滯電壓（~1V）。因其邏輯端口的低電平特性，使得IPM可適用任何一種控制器，如 MCU、DSP和FPGA等。因邏輯輸入端口內(nèi)部連接了上拉或下拉電阻，當邏輯輸入懸空時，柵極驅(qū)動器的輸出端LVG和HVG會依照默認的上下拉電阻被設(shè)置為對應(yīng)的關(guān)斷狀態(tài)。在PCB布線時，當IPM距離控制器較遠，邏輯輸入信號走線較長時，應(yīng)在信號線靠近IPM一端外加一個RC濾波網(wǎng)絡(luò)或緩沖器，用來減少輸入信號線上的毛刺導(dǎo)致的干擾。

　　圖 8 高壓柵極驅(qū)動框圖

　　智能關(guān)斷功能（SD/OD）

　　在 STGIF5CH60TS-L版本中，IPM內(nèi)部集成了智能關(guān)斷（SD/OD）功能，該功能可提高IPM對過流和短路的失效保護。如圖8，智能關(guān)斷模塊接受2個觸發(fā)信號，一是來自MCU端的控制關(guān)斷信號，另一個是來自內(nèi)部比較器的故障檢測輸出信號。當內(nèi)部的比較器同相輸入端通過一個RC濾波網(wǎng)絡(luò)（RSF和 CSF）連接到采樣電阻RShunt用于過流檢測。在RShunt的電壓高于參考電壓VREF后，故障比較器輸出端電平翻轉(zhuǎn)送入到智能關(guān)斷模塊，模塊立即關(guān)閉IGBT的柵極HVG 和LVG （內(nèi)部延遲時間典型值為200ns），驅(qū)動部分的半橋處于三態(tài)高阻；同時模塊也輸出信號到SD/OD引腳內(nèi)部集成的P-MOSFET，控制RSD和CSD 網(wǎng)絡(luò)充電。在充電完成后，SD信號達到下限的閥值VSD_L_THR，模塊關(guān)閉輸入HIN和LIN。通過增加SD引腳外部的RC網(wǎng)絡(luò)充放電時間，智能關(guān)斷模塊也給用戶提供了盡量多的可控的禁用時間（從故障發(fā)生到輸出關(guān)閉的時間），而且不損害SLLIMM延遲保護時間。

　　應(yīng)用電路

　　圖9 為STGIF5CH60TS-L的實際應(yīng)用電路參考。

　　在冰箱壓縮機測試中，實際測試使用STGIF5CH60TS-L基于磁場定向控制（FOC）的單電阻方案，測試平臺實際運行平穩(wěn)，各項功能均在可接受范圍，使用STM32FOC SDK4.0，可實現(xiàn)冰箱壓縮機飽壓立刻平穩(wěn)啟動。由于STGIF5CH60TS-L內(nèi)部集成的欠壓鎖存電路、故障檢測比較器、智能關(guān)斷等模塊，極大的提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并因其內(nèi)部集成的運算放大器降低了系統(tǒng)在電流采樣部分的布線要求，同時也減少了外圍元器件的數(shù)量，降低了系統(tǒng)整體成本，更適合在一些追求小尺寸面積的應(yīng)用場合使用。對于參考方案如有需求評估，可聯(lián)系我司獲得相關(guān)信息。