世平基于新能源電車 e-Conpressor 空壓機(jī)(Spark-800V)應(yīng)用方案
大聯(lián)大世平集團(tuán)針對新能源電車 800v 平臺架構(gòu),推出基于 e-Compressor 空壓機(jī)應(yīng)用方案。此方案主要由 Flagchip 的 MCU FC4150,NXP 的汽車安全系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC) FS23,安森美的 IPM 模塊、PSR DC-DC 器件,圣邦微的 OPA,納芯微的隔離器件組成。用作驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī),符合ASIL-B 功能安全等級。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202409/462597.htm
硬件設(shè)計說明:
1. 主控
采用的是旗芯微 FC4150F512BS1P64T1A,使用高性能的 ARM Cortex-M4 為內(nèi)核的 32 位微控制器,最高工作頻率可達(dá) 150 MHz,內(nèi)置高速存儲器,豐富的 I/O 端口和多種外設(shè)。
FC4150F512BS1P64T1A 框圖如下圖所示:
2. IPM
電機(jī)驅(qū)動部分,方案采用集成預(yù)驅(qū)與 6 顆 IGBT 管的 IPM 來做電機(jī)的電子換相控制。芯片采用的是 Onsemi 的 NFVA23512PN2T。NFVA23512PN2T 內(nèi)置 3 個高速半橋高壓柵極驅(qū)動電路,集成了(1200V/35A)低損耗的 IGBT 管,內(nèi)置高邊自舉二極管,最大支持 20Khz 的 PWM,死區(qū)最小時間為 2us,還提供多個模塊保護(hù)功能,包括欠電壓鎖定、過電流鎖定、驅(qū)動與集成電路的溫度監(jiān)測和故障報告等,為汽車電機(jī)應(yīng)用提供了一個全功能、高性能的逆變器。
NFVA23512PN2T 框圖如下圖所示:
3. 電源設(shè)計
低壓電源供電部分,分為兩路,第一路采用反激隔離式 DC-DC 向 IPM-15V 與隔離器件的 VDD1 供電,另外一路采用 SBC 對 MCU 供電,并實(shí)時監(jiān)控反激隔離式 DC-DC 的輸出電壓狀態(tài)。
MCU 電源部分,采用了一顆帶有功能安全的電源管理芯片(ASIL-B),它是恩智浦 的 FS2300 ,F(xiàn)S2300 具有多路 LDO 輸出,另可選 BUCK 或外置 NPN 三級管的穩(wěn)壓器型號,可為 MCU、SENSOR、外設(shè)IC和通信接口供電。FS2300 的監(jiān)控診斷包括喚醒輸入、看門狗、復(fù)位、中斷,以及對電路診斷后的失效輸出等,并內(nèi)置 CAN、LIN 模塊,這顆 FS2300 & FC4150 通過 SPI 通信,在系統(tǒng)運(yùn)行時提供潛在的故障監(jiān)測輸出,以提供增強(qiáng)的安全特性。
FS2300B 框圖如下圖所示:
IPM 電源部分,采用 onsemi 的 NCV12711ADNR2G,它是一款固定頻率峰值電流模式 PWM 控制器,適用于隔離式 DC-DC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該器件在 4V 至 45V 范圍內(nèi)工作,無需輔助繞組??刂破靼删幊陶袷幤鳎稍?00 kHz 至 1 MHz 范圍內(nèi)工作,并集成斜率補(bǔ)償以防止次諧波振蕩。此外,控制器還包括可編程軟啟動、輸入電壓欠壓鎖定保護(hù)和過功率保護(hù)(OPP)電路,可限制輸入電壓增加時電路的總功率能力。UVLO 引腳還具有關(guān)斷比較器,允許外部信號禁用開關(guān),并將控制器置于低功耗狀態(tài)。NCV12711 還包含一系列保護(hù)特性,包括逐周期峰值電流限制、平滑頻率增加和基于定時器的過載保護(hù)。所有保護(hù)特性都會將器件置于故障模式,并具有 1 秒的自動恢復(fù)周期,以便在故障條件消除時允許系統(tǒng)恢復(fù)。
NCV12711ADNR2G 框圖如下圖所示:
4. 數(shù)字隔離器
數(shù)字隔離器部分,方案采用納芯微的車規(guī)級 NSI8220W0 來傳輸 PWM 信號、反饋 VFO、LDO_PG 信號。NSI8220W0 的其特點(diǎn)如下:
電源電壓 2.5V-5.5V
傳輸速率 150Mbps
共模瞬變抗擾度 250kV/us
傳播延時 15ns
絕緣耐壓等級可選 3.5kVrms、5kVrms
AEC-Q100 1 級認(rèn)證
5. 電壓采樣隔離器
電壓采樣部分選用納芯微的 NSI1311來采樣母線電壓、IPM 溫度信號。NSI1311的其內(nèi)部框圖與特點(diǎn)如下:
電源電壓 2.5V-5.5V
輸入電壓范圍 0.02-2V
輸入失調(diào)電壓 ±1.5mV
放大倍數(shù) 1
輸入阻抗高達(dá) 1GΩ
帶寬 300kHz
共模瞬變抗擾度 150kV/us
絕緣耐壓等級5kVrms
AEC-Q100 1級認(rèn)證
6. 電流采樣隔離器
電壓采樣部分選用納芯微的 NSI1300D25來對 IPM 的底邊管進(jìn)行電流采樣。NSI1300D25的其內(nèi)部框圖與特點(diǎn)下:
電源電壓 2.5V-5.5V
輸入電壓范圍 ±250mV
輸入失調(diào)電壓 ±0.2mV
放大倍數(shù) 8.2
帶寬 310kHz
共模瞬變抗擾度 150kV/us
絕緣耐壓等級5kVrms
AEC-Q100 1級認(rèn)證
7. OPA
運(yùn)算放大器部分,方案采用圣邦威的車規(guī)級 SGM8557H-1AQ 來對電壓、電流采樣隔離器輸出的差分信號轉(zhuǎn)化為單端輸出供 MCU ADC 外設(shè)采樣。SGM8557H-1AQ 的其特點(diǎn)如下:
電源電壓 2.7V-5.5V
輸出驅(qū)動能力高達(dá) 230mA
軌至軌輸出
輸入失調(diào)電壓 15uV
15MHz的增益帶寬和7.5V/us 的壓擺率
AEC-Q100 1 級認(rèn)證
方案原理圖:
1.MCU 板
2.高壓電機(jī)驅(qū)動板
PCB Layout:
1. MCU 板
2.高壓電機(jī)驅(qū)動板
軟件設(shè)計說明:
方案軟件部分采用世平 Sensorless FOC 雙電阻采樣的軟件庫架構(gòu),通過板載電位器給定速度命令使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。軟件采用雙環(huán)控制(電流環(huán)+速度環(huán)),矢量控制的框圖如下圖所示:
1. SVPMM
空間矢量脈寬調(diào)制(SVM)是 FOC 的基礎(chǔ),是根據(jù)其所在扇區(qū)選擇非零矢量與零矢量合成而成,有五段式、七段式、混合式。七段式開關(guān)次數(shù)較多,但諧波較?。晃宥问介_關(guān)次數(shù)是七段式的一半,但諧波較大,代碼采用的是七段式。其實(shí)現(xiàn)流程大致如下:
① 判斷合成矢量所在扇區(qū)
② 計算相鄰矢量作用時間
③ 計算各橋臂導(dǎo)通時間
④ 得到各相 PWM 占空比
⑤ 更新相應(yīng)寄存器值
2. Current Sensing
在電流環(huán),軟件中的電流采樣選擇雙電阻采樣,通過采樣 V 和 W 相的下橋臂電阻上的壓降,再用基爾霍夫電流定律計算第三相(U 相)的電流。
3. FC4150 外設(shè)間的相互配合
在 FOC 控制中 FTU 需要產(chǎn)生中心對齊的 PWM 信號,在重新裝載計數(shù)值時,F(xiàn)TU
支持產(chǎn)生重新裝載的觸發(fā)信號用于通知 2 個 PTIMER 開始計時,當(dāng) PTIMER 計時到 PWM 的中心點(diǎn)時,PTIMER 產(chǎn)生觸發(fā)信號通知
ADC 進(jìn)行采樣,采樣完成后發(fā)生 ADC 中斷得到三相電流,F(xiàn)OC 算法函數(shù)開始計算下一周期各個通道的 PWM
占空比,從而完成對電機(jī)的磁場定向控制。
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