如何使用EPC9176評估板設(shè)計真空吸塵器電機驅(qū)動逆變器

由于對高效和緊湊的電機驅(qū)動應(yīng)用的需求不斷增長，EPC設(shè)計了EPC9176板，采用eGaN IC，可實現(xiàn)真空吸塵器逆變器的最大性能。EPC9176采用3個EPC23102 eganic。這種板是一種三相逆變器，能夠提供無散熱器的13ARMS和帶散熱器的18 ARMS，使IC的溫升低于50°C。EPC9176板支持高達(dá)250khz的pwm開關(guān)頻率。

本文是關(guān)于如何使用 EPC9176 評估板設(shè)計真空吸塵器電機驅(qū)動逆變器的應(yīng)用筆記，主要介紹了 EPC9176 評估板的設(shè)計原理、功能特點及實驗驗證結(jié)果。

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1. 設(shè)計動機 ：因高效緊湊電機驅(qū)動應(yīng)用需求增長，EPC 設(shè)計了 EPC9176 板。它采用 eGaN IC，在真空吸塵器逆變器中能實現(xiàn)高性能，其由三個 EPC23102 eGaN IC 構(gòu)成三相逆變器，無散熱器時能提供 13 電流，有散熱器且 IC 溫升低于 50°C 時可達(dá) 18 ，并支持高達(dá) 250 kHz 的 PWM 開關(guān)頻率。
2. 系統(tǒng)概述
   • 電路組成 ：包含基于六個 EPC23102 eGaN IC 的三相逆變器、直流鏈路電容器、穩(wěn)壓輔助電源、電壓電流溫度傳感器及調(diào)理電路、保護功能等。控制器連接器 J60 用于連接外部數(shù)字微控制器單元，開關(guān)單元對稱布局，通過分流電阻測量相輸出電流，電機連接的每相都有傳感電阻，還可通過 J80 連接電機軸編碼器或霍爾效應(yīng)傳感器，其輸出濾波信號經(jīng) J60 傳至微控制器。
   • 直流鏈路電容作用 ：平衡電源和逆變器間瞬時功率波動，穩(wěn)定高頻開關(guān)電路引起的紋波。因高開關(guān)頻率可降低所需電容值，所以采用陶瓷和鉭電容，用戶可定制以適應(yīng)不同開關(guān)頻率條件下的最佳濾波。
3. eGaN IC 特性
   • 電氣性能優(yōu)勢 ：氮化鎵器件技術(shù)電子遷移率高、溫度系數(shù)低。EPC23102 eGaN IC 的典型漏源導(dǎo)通電阻 在 25°C 時為 5.2 mΩ，其橫向結(jié)構(gòu)和無本征體二極管特性使柵極電荷 極低，反向?qū)〞r反向恢復(fù)電荷 為零。與類似 的 MOSFET 相比，開關(guān)損耗小 5 倍，能以更高 PWM 頻率和更短死區(qū)時間運行。
   • 封裝優(yōu)勢 ：同一芯片上的高側(cè)和低側(cè)器件及直接焊接到印刷電路板上的方式，使共源寄生電感近乎為零，小尺寸封裝能在較小面積內(nèi)放置三個 EPC23102，實現(xiàn)高功率密度。
4. 設(shè)計細(xì)節(jié)
   • 電壓電流檢測 ：功率級 eGaN IC 最大電壓 ，dv/dt 優(yōu)化至小于 10 V/ns。每相電機電流通過 1.0 mΩ 的分流電阻雙向檢測，分流電壓經(jīng) 50 V/V 增益放大并添加 1.65 V 偏移，放大器帶寬 400 kHz。放大后的信號用于檢測過流以激活保護電路，過流信號（OCPn）會傳至微控制器 J60。直流電源電壓和每相電壓通過電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)測量，總增益為 29.2 mV/V。
   • 溫度檢測 ：逆變器板上的溫度傳感器（U40 - AD590）通過特定公式 將與溫度成正比的電壓反饋至 J60 連接器，并通過紅外相機對 EPC23102 外殼頂部溫度測量進(jìn)行了特性表征。
5. 實驗驗證 ：EPC9176 功率板配置為三相 BLDC 電機驅(qū)動逆變器，與 EPC9147C（電機驅(qū)動控制器接口板 - STMicroelectronics STM32G431RB Nucleo）結(jié)合，采用無傳感器 FOC 算法和空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制 25.2 V 真空吸塵器電機，逆變器開關(guān) PWM 設(shè)為 80 kHz，死區(qū)時間 50 ns。實驗展示了電機在 50 krpm 運行時的相電流波形，還表明在 80 kHz PWM 頻率下輸入電壓和電流紋波減小，可按需選擇電容類型。
6. 結(jié)論 ：EPC9176 是為真空吸塵器應(yīng)用設(shè)計的 48 V 輸入、400 W 輸出的評估板，集成了驅(qū)動三相 BLDC 電機所需電路。憑借 eGaN 的高功率密度和高導(dǎo)電性，在自然對流被動散熱且溫升低于 50°C 時性能優(yōu)異，提升了電機驅(qū)動系統(tǒng)的電流輸出波形質(zhì)量、減少扭矩振蕩并提高系統(tǒng)效率。
   

系統(tǒng)概述逆變板包括支持一個完整的吸塵器電機驅(qū)動逆變器所需的所有功能電路，如下所述：
?基于6個EPC23102 eGaN ic的三相逆變器；
?直流鏈路電容器；
?穩(wěn)壓輔助電源；
?帶調(diào)理電路的電壓、電流和溫度傳感器；
?保護功能
逆變板的圖片如圖1所示

控制器連接器（J60）將EPC9176信號與外部數(shù)字微控制器單元連接起來。
開關(guān)單元以對稱布局布置。相位輸出電流通過分流電阻測量。每個相位都有與電機連接相對應(yīng)的感應(yīng)電阻。此外，兼容的電機軸編碼器或霍爾效應(yīng)傳感器可以通過連接器j80連接到EPC9176電機控制驅(qū)動逆變器，輸出濾波信號可用于連接器J60上的微控制器。[1]內(nèi)置過流檢測電路，當(dāng)發(fā)生過流（OC）時觸發(fā)；OC信號通過J60連接器發(fā)送到微控制器。直流鏈路電容器平衡電源和逆變器之間波動的瞬時功率交換，以穩(wěn)定逆變器高頻功率開關(guān)電路引起的紋波。高開關(guān)頻率允許降低所需的電容值。因此，直流鏈路由陶瓷和鉭電容實現(xiàn)，用戶可以定制EPC9176，以在高開關(guān)頻率和低開關(guān)頻率工作條件下找到最佳濾波。

EPC9176配備有專用散熱器，用于自然對流冷卻，如圖2所示。

散熱器接地，并安裝在一層薄絕緣材料的頂部，以防止與其他具有外露引腳導(dǎo)體的組件短路。熱界面材料（TIM）放置在eGaN IC上方，以提高芯片與連接的散熱器之間的界面熱傳導(dǎo)。此板使用的TIM為t-Global型號：TG-A6200 x 0.5毫米，導(dǎo)熱率為6.2 W/m·K。

電機驅(qū)動逆變器的eGaN IC選擇epc9176是由三個epc23102 eGaN IC組成的三相逆變器。氮化鎵器件技術(shù)具有極高的電子遷移率和低溫系數(shù)。EPC23102 eGaN IC具有典型的漏源通阻RDS(on) 5.2 mΩ（@25°C）。此外，eGaN器件的橫向結(jié)構(gòu)和沒有固有體二極管提供了一個非常低的柵極電荷QG和零反向恢復(fù)電荷QRR，當(dāng)反向感應(yīng)操作時。與具有類似arrds （on）的mosfet相比，eGaN fet的開關(guān)損耗小五倍，因此逆變器可以在更高的pwm頻率下工作，死區(qū)時間更短。eGaN ic的封裝允許接近零的共源寄生電感，在同一芯片上具有高側(cè)器件和低側(cè)器件，以及通過將芯片直接焊接到印刷電路板上的功率環(huán)路寄生電感。占地面積小，可以在相對較小的面積內(nèi)在電路板中插入三個EPC23102，從而提供高功率密度。EPC23102的占用空間如圖3所示。