一、方案描述

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。

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?a target="_blank">編程振蕩器，可在100 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??；五段式開關(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。

?場景應(yīng)用圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢

1、FS23 (SBC) 與 FC4150 (MCU) 組合符合 ASIL-B 功能安全要求標(biāo)準(zhǔn)

2、SBC FCCU 硬件監(jiān)控 MCU 故障，同時 Watchdog 進(jìn)行 MCU 存活監(jiān)督，確保系統(tǒng)失效安全保護(hù)

3、提供全功能的電機(jī)軟硬故障保護(hù)、過流、過欠壓、堵轉(zhuǎn)、缺相、過溫等

4、提供軟件 demo 算法、如高頻注入、死區(qū)補(bǔ)償、滑模觀測器、FOC 等

5、提供硬件參考設(shè)計，加快產(chǎn)品快速開發(fā)

?方案規(guī)格

1、高壓側(cè)輸入電壓范圍: 460VDC~860VDC

2、低壓側(cè)輸入電壓范圍: 8VDC~18VDC

3、MCU: ARM Cortex-M4 32-bit 內(nèi)核，主頻高達(dá) 150MHz ，ASIL-B 功能安全等級

4、支持 CAN 、LIN 通訊

5、支持 2/3 Shunt R 三相電流采樣

6、支持過壓、過流、過溫防護(hù)

7、板載電位器支持速度調(diào)節(jié)

8、具備 LED 指示燈 & UART 調(diào)試接口

9、開發(fā)板尺寸 : MCU 板70 * 40 mm ，電機(jī)驅(qū)動板 150 * 135 mm

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