世平基于新能源電車(chē) e-Conpressor 空壓機(Spark-800V)應用方案

大聯(lián)大世平集團針對新能源電車(chē) 800v 平臺架構，推出基于 e-Compressor 空壓機應用方案。此方案主要由 Flagchip 的 MCU FC4150，NXP 的汽車(chē)安全系統基礎芯片(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。用作驅動(dòng)空調壓縮機，符合ASIL-B 功能安全等級。

硬件設計說(shuō)明: 

       1. 主控

       采用的是旗芯微 FC4150F512BS1P64T1A，使用高性能的 ARM Cortex-M4 為內核的 32 位微控制器，最高工作頻率可達 150 MHz，內置高速存儲器，豐富的 I/O 端口和多種外設。

FC4150F512BS1P64T1A 框圖如下圖所示：

      2. IPM

      電機驅動(dòng)部分，方案采用集成預驅與 6 顆 IGBT 管的 IPM 來(lái)做電機的電子換相控制。芯片采用的是 Onsemi 的 NFVA23512PN2T。NFVA23512PN2T 內置 3 個(gè)高速半橋高壓柵極驅動(dòng)電路，集成了（1200V/35A）低損耗的 IGBT 管，內置高邊自舉二極管，最大支持 20Khz 的 PWM，死區最小時(shí)間為 2us，還提供多個(gè)模塊保護功能，包括欠電壓鎖定、過(guò)電流鎖定、驅動(dòng)與集成電路的溫度監測和故障報告等，為汽車(chē)電機應用提供了一個(gè)全功能、高性能的逆變器。

NFVA23512PN2T 框圖如下圖所示：

3. 電源設計

       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(shí)監控反激隔離式 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 ，FS2300 具有多路 LDO 輸出，另可選 BUCK 或外置 NPN 三級管的穩壓器型號，可為 MCU、SENSOR、外設IC和通信接口供電。FS2300 的監控診斷包括喚醒輸入、看門(mén)狗、復位、中斷，以及對電路診斷后的失效輸出等，并內置 CAN、LIN 模塊，這顆 FS2300 & FC4150 通過(guò) SPI 通信，在系統運行時(shí)提供潛在的故障監測輸出，以提供增強的安全特性。

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 拓撲結構。該器件在 4V 至 45V 范圍內工作，無(wú)需輔助繞組?？刂破靼删幊陶袷幤?，可在100 kHz 至 1 MHz 范圍內工作，并集成斜率補償以防止次諧波振蕩。此外，控制器還包括可編程軟啟動(dòng)、輸入電壓欠壓鎖定保護和過(guò)功率保護（OPP）電路，可限制輸入電壓增加時(shí)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(kāi)關(guān)，并將控制器置于低功耗狀態(tài)。NCV12711 還包含一系列保護特性，包括逐周期峰值電流限制、平滑頻率增加和基于定時(shí)器的過(guò)載保護。所有保護特性都會(huì )將器件置于故障模式，并具有 1 秒的自動(dòng)恢復周期，以便在故障條件消除時(shí)允許系統恢復。

NCV12711ADNR2G 框圖如下圖所示：

4. 數字隔離器

       數字隔離器部分，方案采用納芯微的車(chē)規級 NSI8220W0 來(lái)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(shí) 15ns

• 絕緣耐壓等級可選 3.5kVrms、5kVrms

• AEC-Q100 1 級認證

5. 電壓采樣隔離器

       電壓采樣部分選用納芯微的 NSI1311來(lái)采樣母線(xiàn)電壓、IPM 溫度信號。NSI1311的其內部框圖與特點(diǎn)如下：

• 電源電壓 2.5V-5.5V

• 輸入電壓范圍 0.02-2V

• 輸入失調電壓 ±1.5mV

• 放大倍數 1

• 輸入阻抗高達 1GΩ

• 帶寬 300kHz

• 共模瞬變抗擾度 150kV/us

• 絕緣耐壓等級5kVrms

• AEC-Q100 1級認證

6. 電流采樣隔離器

       電壓采樣部分選用納芯微的 NSI1300D25來(lái)對 IPM 的底邊管進(jìn)行電流采樣。NSI1300D25的其內部框圖與特點(diǎn)下：

• 電源電壓 2.5V-5.5V

• 輸入電壓范圍 ±250mV

• 輸入失調電壓 ±0.2mV

• 放大倍數 8.2

• 帶寬 310kHz

• 共模瞬變抗擾度 150kV/us

• 絕緣耐壓等級5kVrms

• AEC-Q100 1級認證

7. OPA

運算放大器部分，方案采用圣邦威的車(chē)規級 SGM8557H-1AQ 來(lái)對電壓、電流采樣隔離器輸出的差分信號轉化為單端輸出供 MCU ADC 外設采樣。SGM8557H-1AQ 的其特點(diǎn)如下：

• 電源電壓 2.7V-5.5V

• 輸出驅動(dòng)能力高達 230mA

• 軌至軌輸出

• 輸入失調電壓 15uV

• 15MHz的增益帶寬和7.5V/us 的壓擺率

• AEC-Q100 1 級認證

方案原理圖：

1.MCU 板

2.高壓電機驅動(dòng)板

PCB Layout：

        1. MCU 板

        2.高壓電機驅動(dòng)板

軟件設計說(shuō)明: 

       方案軟件部分采用世平 Sensorless FOC 雙電阻采樣的軟件庫架構，通過(guò)板載電位器給定速度命令使電機旋轉。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

       空間矢量脈寬調制（SVM）是 FOC 的基礎，是根據其所在扇區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(kāi)關(guān)次數較多，但諧波較??；五段式開(kāi)關(guān)次數是七段式的一半，但諧波較大，代碼采用的是七段式。其實(shí)現流程大致如下：

① 判斷合成矢量所在扇區

② 計算相鄰矢量作用時(shí)間

③ 計算各橋臂導通時(shí)間

④ 得到各相 PWM 占空比

⑤ 更新相應寄存器值

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(guò)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，在重新裝載計數值時(shí)，FTU 支持產(chǎn)生重新裝載的觸發(fā)信號用于通知 2 個(gè) PTIMER 開(kāi)始計時(shí)，當 PTIMER 計時(shí)到 PWM 的中心點(diǎn)時(shí)，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，FOC 算法函數開(kāi)始計算下一周期各個(gè)通道的 PWM 占空比，從而完成對電機的磁場(chǎng)定向控制。