飛兆半導(dǎo)體給汽車開(kāi)發(fā)的三相車用功率模塊逆變器

引言

飛兆半導(dǎo)體開(kāi)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(rùn)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(tái)，可在完整的三相逆變器配置中進(jìn)行 APM 的評(píng)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(cè)放大器

模塊溫度轉(zhuǎn)換電路

感測(cè)相位電壓放大反饋

過(guò)流和過(guò)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(cè)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(píng)測(cè)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(hào)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(guò)逆變橋向負(fù)載電機(jī)供電。如果需要，可通過(guò)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(guò)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(huì)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(guò) L-C PI 電路和一對(duì)差模電容器對(duì)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(kāi)關(guān)由八個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)（6 個(gè)柵極、繼電器控制加故障清除信號(hào)）控制，通過(guò)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(píng)測(cè)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(hào)以評(píng)測(cè)板的公共端接地 （GND） 為參考電壓。有關(guān)這些 I/O 信號(hào)的范圍、縮比和說(shuō)明等詳情，請(qǐng)參見(jiàn)表 1。

引腳信號(hào)說(shuō)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(guò)溫過(guò)溫 FB 標(biāo)記數(shù)字輸出140° C0 V 至 3.3 V--

J1A-7OI過(guò)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(jiàn)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(hào)隔離數(shù)字輸入0 V 至 5 V---

J1B-11RLY-CTRL繼電器控制信號(hào)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(hào) I/O 連接

模塊說(shuō)明

本 APM 包含一個(gè)三相 MOSFET 橋、電流檢測(cè)支路、R-C 電壓緩沖電路和一個(gè)溫度檢測(cè)熱敏電阻 （NTC）。其一側(cè)為十四個(gè)信號(hào)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(hào)的隔離通過(guò)雙通道高速輸入信號(hào)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(guò)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(guò) 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(hào)是 5 伏特以上的任何電壓，可達(dá) 20 伏特。“邏輯低”電平信號(hào)是 1.6 伏特以下的任何電壓。通過(guò)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(hào)： 非_關(guān)斷 （SD/）、輸入 （IN） 和死區(qū)時(shí)間 （DT）。

死區(qū)時(shí)間信號(hào)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(guò)一只可調(diào)電阻設(shè)置，從 DT 端子連接至地?？烧{(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(lái)控制三相電壓，以及直流母線電壓、檢測(cè)電流信號(hào)和 NTC 熱敏電阻。通過(guò)將一組運(yùn)放器組成調(diào)整后的差分放大電路來(lái)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(lái)限制施加到放大器芯片上的的絕對(duì)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(hào)范圍、增益和失調(diào)參數(shù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)表 1。

電壓放大器的設(shè)計(jì)可確保完全消除信號(hào)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(hào)在輸出連接器上提供，可參見(jiàn)表 1。模塊的內(nèi)部電流檢測(cè)信號(hào)也以類似的方式放大。

電流檢測(cè)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?hào)處理為一個(gè)有用的高電平控制信號(hào)。轉(zhuǎn)換所得的電流信號(hào)在輸出連接器上提供。它還連接至過(guò)流檢測(cè)電路，令其信號(hào)電平與 參考電壓相比較，后者設(shè)置為指示過(guò)流狀況。如果插上過(guò)流故障啟用跳線，則任何支路電流值超過(guò) 150 A 都會(huì)觸發(fā)過(guò)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(huì)出現(xiàn)過(guò)流故障信號(hào)，因此可用在不需要板載過(guò)流故障檢測(cè)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(guò)溫保護(hù)。

模塊的溫度信號(hào)電平與指示過(guò)溫故障 （OT） 狀況的參考電壓相比較。如果插上過(guò)溫故障啟用跳線，則只要電壓所代表的溫度超過(guò) 140°C，就會(huì)觸發(fā)過(guò)溫故障電路。不論跳線是否連接，I/O 連接器處都會(huì)出現(xiàn)過(guò)溫故障信號(hào)，因此可用在不需要板載過(guò)溫故障檢測(cè)的控制軟件中?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)設(shè)置比較器參考電壓的電阻值來(lái)改變過(guò)溫和過(guò)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(guò)流或過(guò)溫狀況下保護(hù)功率模塊。插上跳線 J2 和 J3 后，過(guò)流 （OI） 和過(guò)溫 （OT） 信號(hào)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(hào)。一旦觸發(fā)故障，故障 LED 就會(huì)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(kāi)

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(hào)（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(guò)“功率模塊”上的 POS（正）和 NEG（負(fù)）端子連接至 IRD。它通過(guò)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(kāi)關(guān)控制，由外部隔離數(shù)字輸入信號(hào)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(huì)加電。直流母線濾波器和繼電器電 路如圖 6 所示。

電流檢測(cè)板

本 IRD 系統(tǒng)提供一個(gè)可選的三通道電流檢測(cè)板，直接安裝在 IRD 電路板的輸出區(qū)域。每個(gè)電流檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)輸出頻寬。這三個(gè)通道可用于測(cè)量三相電流?；蛘哂糜跍y(cè)量直流母線電流和兩相電流。

所用的三個(gè)電流檢測(cè)器為 LEM HAIS-100P，額定 300 安培峰值電流。這些檢測(cè)器的輸出范圍為 5 V ，帶有與零電流輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的 2.5 V 偏移。