小型低损耗智能集成模块应用方案详解 - 全文

　　本文将介绍使用STM最新推出Cortex-M4内核的MCU配合基于SLLIMM-nano二代系列功率模块在冰箱上的FOC 单电阻无传感器应用。随着国家能效政策的大力推广，越来越多的电机应用如洗衣机、风机、洗碗机、油烟机开始采样变频技术。在传统的电机驱动中，使用分立元件导致系统设计结构复制，可靠性降低，意法半导体（STM）推出针对小功率电机应用开发出一种结构紧凑，可靠性高的功率模块产品，称之为SLLIMM（Small Low-Loss Intelligent Molded Module）小型低损耗智能集成模块。在该模块中分两个系列，SLLIMM 系列和SLLIMM-nano系列。SLLIMM 系列为600V电压，10A到30A电流，SLLIMM-nano二代 为600V电压，5A电流。

　　软件设计

　　STM32F302C8T6 是STM最新推出基于Cortex-M4内核（内部有8MHZ RC 可以16 锁相环倍频）带有FPU（最大频率72MHZ）的产品，针对高性能电机驱动应用，其内部集成了一路专门用于电机控制的Advanced Timer，最高工作频率可达到128MHz，得益于Cortex-M4内核强大的运算能力，内部集成一个带宽可达8.2MHZ高速运放模块。强大的处理内核，内部集成高速运放足以满足磁场定向控制（FOC）对数据实时运算的要求，性价比极具竞争力。

　　对于常见的内嵌永磁同步电机（I-PMSM） ，如冰箱压缩机，通常需要做饱压启动，会要求压缩机在重载的情况下短时间能启动成功，诸如类似滚筒洗衣，油烟机都会有类似的工作场景，所以ST在基于 Cortex-M4强大运算能力的基础上导入高频注入（HFI - High Frequency Injection）功能，确保压缩机在大负载的环境下能在零速下顺利启动，进入正常运行模式。HFI功能需要基于STM提供的FOC SDK 4.0才能实现，同时STM也为了配合SDK 4.0的使用，在PC端提供了一个便捷易用的配置和在线实时调试软件ST Motor Control Workbench，方便用户快速入门（如图1）。

　　

　　图1 ST Motor Control Workbench GUI

　　使用HFI功能，需要打开GUI 界面，在电机类型选择中选择”Internal PMSM”（目前HFI仅支持Ld

　　

　　图2 电机本体特征参数配置对话框

　　通过GUI右侧的“Driver Management” 进入驱动管理模块页面，在出现的页面中选择“Speed Position Feedback Management” ，在弹出的对话框中选择“Main sensor”标签，通过“Sensor Selection”下拉选择框，选中“ Sensor-less （ HFI + Observer ）” （图 3） 。

　　

　　图 3

　　同时为了满足HFI的调试要求，我们还需要进入通过GUI右侧的“Control Stage”进入“DAC Functionality”对话框，配合MCU自带的两个DAC模块输出调试需要的电流和电角度信号（图 4）。

　　

　　图 4

　　MCU的电流采样的运放配置

　　由于STM32F302C8T6内部集成了PGA和Op-Amp，GUI同时也提供了一个清晰明了的配置界面用于配置运放的增益参数。通过GUI右侧的 “Control Stage”进入“Analog Input and Protection”对话框（图5），选择“Embedded PGA”。

　　

　　图 5

　　在“Sensing OPAMP”中选择“Calculat”按钮，我们可以进入运放的增益电路电阻选择界面，如图6。我们可以配置电路设计预定的采样电流值，运放放大电路的电阻值，计算实际的电流放大倍率，配置产生的结果在界面右下方直接显示出来，方便用户核对。

　　

　　图 6

　　IPM

　　

　　STGIF5CH60TS- L是STM最新推出的600V 5A 集成智能功率模块，内部集成了六个TGFS IGBT（Trench Gate Field-Stop IGBT）、高边和底边栅极驱动器 （内部集成了自举用二极管）。集成了死区时间控制、欠压锁定（Undervoltage Lockout）、过流保护、短路故障保护比较器、智能关断功能（Smart ShutDown Function）、可选NTC。全塑封封装，隔离可支持1500 Vrms/min，并有通过UL 1557认证。

　　

　　图 7

　　如图 7，IPM内部集成的IGBT单管连续电流可达5A，峰值电流持续1毫秒可达10A，短路承受时间可达5微秒，针对典型的电机控制开关频率优化，在饱和压降VCE（SAT）和开关速度（tfall）之间选择了一个权衡，最大限度的在传导损耗和开关损坏之间平衡，减少了参数dV/dt和dI/dt值，可实现较低的EMI特征。

　　低压供电电压与欠压锁定（UVLO）

　　按手册提供的数据，可知IPM的低压供电电压VCC在-0.3V ~ 20V之间，该电压为IPM的控制电路提供供电电源。在IPM内部VCC端口处，集成了欠压锁定（UVLO）电路，如图8，该电路会监测VCC值。当 VCC低于VCC_thON阀值时，欠压锁定电路会关闭栅极驱动的输出信号；当VCC达到并高于VCC_thON的阀值后，栅极驱动的输出会被打开，同时提供一个大约1.5V左右的迟滞电压VCC_hys，用来避免噪音的影响；当VCC 低于VCC_thOff阀值后，欠压锁定电路检测到欠压（UVLO）事件，内部的IGBT会自动关闭，无论此时是否还存在输出信号。

　　受驱动电路的影响，为确保IPM的驱动电路可靠、稳定工作，需在供电电源部分设计时给予充分考虑，确保在负载波动情况下，该供电电压的输出波动能控制在 IPM可承受的合理范围内。同时为提高IPM的抗干扰能力，建议在IPM电源外围增加滤波电路。通常的做法是使用一个电解电容（低ESR）和一个较小的陶瓷电容（几百nF）并联在VCC和GND之间，电容放置的位置应尽可能靠近IPM电源端。

　　逻辑输入信号

　　高压栅极驱动HVIC有两个逻辑输入端HIN 和LIN，分别控制高压端的高侧输出HVG和低侧输出LVG。所有的逻辑输入电平都能兼容TTL 5V/CMOS 3.3V电平信号，并且在电路的硬件上提供了用于降低噪声敏感度的迟滞电压（~1V）。因其逻辑端口的低电平特性，使得IPM可适用任何一种控制器，如 MCU、DSP和FPGA等。因逻辑输入端口内部连接了上拉或下拉电阻，当逻辑输入悬空时，栅极驱动器的输出端LVG和HVG会依照默认的上下拉电阻被设置为对应的关断状态。在PCB布线时，当IPM距离控制器较远，逻辑输入信号走线较长时，应在信号线靠近IPM一端外加一个RC滤波网络或缓冲器，用来减少输入信号线上的毛刺导致的干扰。

　　图 8 高压栅极驱动框图

　　智能关断功能（SD/OD）

　　在 STGIF5CH60TS-L版本中，IPM内部集成了智能关断（SD/OD）功能，该功能可提高IPM对过流和短路的失效保护。如图8，智能关断模块接受2个触发信号，一是来自MCU端的控制关断信号，另一个是来自内部比较器的故障检测输出信号。当内部的比较器同相输入端通过一个RC滤波网络（RSF和 CSF）连接到采样电阻RShunt用于过流检测。在RShunt的电压高于参考电压VREF后，故障比较器输出端电平翻转送入到智能关断模块，模块立即关闭IGBT的栅极HVG 和LVG （内部延迟时间典型值为200ns），驱动部分的半桥处于三态高阻；同时模块也输出信号到SD/OD引脚内部集成的P-MOSFET，控制RSD和CSD 网络充电。在充电完成后，SD信号达到下限的阀值VSD_L_THR，模块关闭输入HIN和LIN。通过增加SD引脚外部的RC网络充放电时间，智能关断模块也给用户提供了尽量多的可控的禁用时间（从故障发生到输出关闭的时间），而且不损害SLLIMM延迟保护时间。

　　应用电路

　　

　　图9 为STGIF5CH60TS-L的实际应用电路参考。

　　在冰箱压缩机测试中，实际测试使用STGIF5CH60TS-L基于磁场定向控制（FOC）的单电阻方案，测试平台实际运行平稳，各项功能均在可接受范围，使用STM32FOC SDK4.0，可实现冰箱压缩机饱压立刻平稳启动。由于STGIF5CH60TS-L内部集成的欠压锁存电路、故障检测比较器、智能关断等模块，极大的提高了整个系统的稳定性和可靠性，并因其内部集成的运算放大器降低了系统在电流采样部分的布线要求，同时也减少了外围元器件的数量，降低了系统整体成本，更适合在一些追求小尺寸面积的应用场合使用。对于参考方案如有需求评估，可联系我司获得相关信息。