飞兆半导体给汽车开发的三相车用功率模块逆变器

引言

飞兆半导体开发了一种逆变器参考设计 （IRD），用于展示新型 FTCO3V455A1 三相车用功率模块 （APM）的 使用。计划用于中等功率 （1-2 kW） 12 V 三相逆变器应用。最适合应用于汽车领域，如电动助力转向系统、电动空调、变速箱润滑泵和其它车辆应用。此 IRD 工具包旨在提供一个快捷、经济的平台，可在完整的三相逆变器配置中进行 APM 的评估和应用。只需添加合适的电子系统控件，就能以最少的时间和投资实现电机驱动解决方案。IRD 的照片如图1所示。

特性

FTCO3V455A1 三相功率模块

光输入隔离

三个半桥式栅极驱动器

逆变器直流母线电流检测放大器

模块温度转换电路

感测相位电压放大反馈

过流和过温关断电路

电池反向和电压瞬态保护电路

可选三通道电流检测器板（通常是 两相加直流母线）

系统概述

带有三通道电流传感器板（可选）的逆变器参考设计 （IRD） 评测板可展示车用功率模块的使用。本文完整地描述了功率模块、逆变器驱动、信号控制和典型的工作特性。系统框图如图 2 所示。

整个 IRD 的控制电源由一个 12 V 的电源提供。此外，整个系统还必须包含一个大电流电池作为电源，通过逆变桥向负载电机供电。如果需要，可通过一个 12 V 电源同时为这两个功能供电。

前述大电流电池通过直流母线继电器和差模/共模滤波电路，最终连接到逆变桥。继电器控制电路提供电池反向保护机制，只有电池连接的极性正确、电压合格，继电器才会接通。

使用 Y-电容和共模扼流圈进行直流母线滤波，以滤除电池电压源产生的共模噪声。通过 L-C PI 电路和一对差模电容器对逆变桥电压作进一步滤波。

在 12 V 控制电源上接出一个 3.3 V 线性稳压电路，用于为所有逻辑和放大电路供电。

由于栅极驱动电路需要维持足够的输出电压才能保障 APM 所有栅极驱动器的需要，所以三个栅极驱动器由 12 V 的控制电源直接供电。

逆变桥器件的开关由八个数字输入信号（6 个栅极、继电器控制加故障清除信号）控制，通过光电耦合器阵列连接。这些输入以一个公共数字输入连接为参考电压，并与其它所有 IRD 电路隔离。该浮动公共连接可连接至评测板的地，也可保持完全隔离以提供更高的控制器抗噪能力。

模拟输出和数字输出信号以评测板的公共端接地 （GND） 为参考电压。有关这些 I/O 信号的范围、缩比和说明等详情，请参见表 1。

引脚信号说明类型缩比FLPF

输入输出增益

J1A-1VFB-V-LINK直流母线电压模拟输出0 V 至 20 V0 V 至 2.5 V0.125300 Hz

J1A-2VFB-V-P1相位 1 电压 FB模拟输出0 V 至 20 V0 V 至 2.5 V0.125300 Hz

J1A-3VFB-V-P2相位 2 电压 FB模拟输出0 V 至 20 V0 V 至 2.5 V0.125300 Hz

J1A-4VFB-V-P3相位 3 电压 FB模拟输出0 V 至 20 V0 V 至 2.5 V0.125300 Hz

J1A-5VFB-I-LINK直流母线电流 FB模拟输出-250 A 至 +250 A0 V 至 2.5 V1013 kHz

J1A-6过温过温 FB 标记数字输出140° C0 V 至 3.3 V--

J1A-7OI过流 FB 标记数字输出150 A0 V 至 3.3 V--

J1A-8VFB-TEMP模块温度 FB模拟输出 参见图 7--

J1B-1PWR-12V-C系统输入功率电源----

J1B-2PWR-GND系统输入接地电源----

J1B-3FIN1相位 1 驱动输入隔离数字输入0 V 至 5 V---

J1B-4FIN2相位 2 驱动输入隔离数字输入0 V 至 5 V---

J1B-5FIN3相位 2 驱动输入隔离数字输入0 V 至 5 V---

J1B-6FEN1相位 1 驱动启用隔离数字输入0 V 至 5 V---

J1B-7FEN2相位驱动启用隔离数字输入0 V 至 5 V---

J1B-8FEN3相位 3 驱动启用隔离数字输入0 V 至 5 V---

J1B-9+5V+5 V 输出电源电源----

J1B-10FLT-CLR故障清除信号隔离数字输入0 V 至 5 V---

J1B-11RLY-CTRL继电器控制信号隔离数字输入0 V 至 5 V---

J1B-12IN-COM浮动输入公共端电源----

表 1： 信号 I/O 连接

模块说明

本 APM 包含一个三相 MOSFET 桥、电流检测支路、R-C 电压缓冲电路和一个温度检测热敏电阻 （NTC）。其一侧为十四个信号连接，另一侧为五个电源连接。这十九个连接焊接在 IRD 的焊盘上。该模块在底部还有一块电气隔离的铜质散热片，必须额外连接外部散热器。整个模块的示意图如图 3 所示。

输入隔离

逆变器驱动和输入控制信号的隔离通过双通道高速输入信号光电耦合器实现。八条数字输入通道的每一条都通过光电耦合器实现光隔离，并以 IN-COM 引脚作为公共接地连接。

该电路配置提供逆变器和外部微控制器之间的完全隔离。由于光电耦合器输入由电流驱动，故而可在较宽的输入电压范围内运 行。输入电压必须提供不低于 2 mA 且不超过 20 mA 的光电二极管驱动电流。因此，最小的“逻辑高”输入电平信号是 5 伏特以上的任何电压，可达 20 伏特。“逻辑低”电平信号是 1.6 伏特以下的任何电压。通过减小光电耦合器输入电阻的阻值可以实现更低的输入电压电平。

栅极驱动器

IRD 上装的是三相功率模块，包含六个独立的 MOSFET 器件。每个 MOSFET 器件都需要一个栅极驱动电流放大器进行控制。这些电流驱动功能由三个半桥式栅极驱动器芯片提供。

栅极驱动器电路包含三块 FAN7393A 半桥式栅极驱动器芯片，每个功率桥臂一块。每个栅极驱动器芯片需要三个输入信号： 非_关断 （SD/）、输入 （IN） 和死区时间 （DT）。

死区时间信号用于调整一个器件关断和（给定相位桥臂）另一个器件导通之间的停留时间，从而避免出现短路（或称“直通”）状况。该时间通过一只可调电阻设置，从 DT 端子连接至地。可调电阻的初始值设置为 22 kΩ，等于 1 µs 的锁定期。

栅极驱动芯片输出的电阻电路提供双向栅极驱动器输出电流。该配置在器件关断期间提供等于器件导通期间一半的栅极电阻。如此可单独调节功率器件的导通和关断时间。

放大器

提供板载放大器电路来控制三相电压，以及直流母线电压、检测电流信号和 NTC 热敏电阻。通过将一组运放器组成调整后的差分放大电路来监控三相电压和直流母线电压。使用输入滤波分压电路来限制施加到放大器芯片上的的绝对电压并同时起到低通滤波器的作用。

图 4 显示低通滤波电路的一个实例。有关截止频率、信号范围、增益和失调参数的详细信息，请参见表 1。

电压放大器的设计可确保完全消除信号中的高频成分，只保留电机的基波频率。这些滤波电压信号在输出连接器上提供，可参见表 1。模块的内部电流检测信号也以类似的方式放大。

电流检测放大器的直流增益和滤波器截止频率如表 1 所示。该放大器能够将支路的低电平信号处理为一个有用的高电平控制信号。转换所得的电流信号在输出连接器上提供。它还连接至过流检测电路，令其信号电平与 参考电压相比较，后者设置为指示过流状况。如果插上过流故障启用跳线，则任何支路电流值超过 150 A 都会触发过流故障电路，进而禁用逆变桥。不论跳线如何连接，I/O 连接器处都会出现过流故障信号，因此可用在不需要板载过流故障检测电路的控制软件中。

APM 模块包含一个内部热敏电阻，安装在靠近 MOSFET 芯片的位置，用作模块功率器件的过温保护。

模块的温度信号电平与指示过温故障 （OT） 状况的参考电压相比较。如果插上过温故障启用跳线，则只要电压所代表的温度超过 140°C，就会触发过温故障电路。不论跳线是否连接，I/O 连接器处都会出现过温故障信号，因此可用在不需要板载过温故障检测的控制软件中。可通过调节设置比较器参考电压的电阻值来改变过温和过流触发电平。

故障保护

本 IRD 包含一个板载故障保护电路，可在严重过流或过温状况下保护功率模块。插上跳线 J2 和 J3 后，过流 （OI） 和过温 （OT） 信号即连接至故障保护电路。在故障状况下，保护电路将覆盖禁用全部三个栅极驱动电路的三个输入启用信号。一旦触发故障，故障 LED 就会发出红光，表示已出现故障并且逆变器已锁至空闲状态。

一旦发生故障，可按以下三种方式之一进行逆变器复位：

关断控制电源再重新打开

按下 PCB 板上的复位按钮

在 FLT-CLR 端子上提供一个逻辑“高”信号（参考 I/O 连接器 IN-COM 端子的电平）。

故障保护电路如图 5所示。

直流母线滤波器和继电器

大电流电池通过“功率模块”上的 POS（正）和 NEG（负）端子连接至 IRD。它通过继电器 K1 连接至逆变桥，然后由共模/差模和 pi 滤波电路进行滤波。此外，瞬态电压保护由 TVS 和齐纳箝位器件提供。继电器由低侧 MOSFET 开关控制，由外部隔离数字输入信号操作。之所以可以实现电池反向保护，是因为继电器只有当存在电池电压并且极性正确时才会加电。直流母线滤波器和继电器电 路如图 6 所示。

电流检测板

本 IRD 系统提供一个可选的三通道电流检测板，直接安装在 IRD 电路板的输出区域。每个电流检测器通道都包含一个限频低通滤波 （LPF） 电路，用于控制电流检测系统输出频宽。这三个通道可用于测量三相电流。或者用于测量直流母线电流和两相电流。

所用的三个电流检测器为 LEM HAIS-100P，额定 300 安培峰值电流。这些检测器的输出范围为 5 V ，带有与零电流输入信号对应的 2.5 V 偏移。