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(duì)新能源電車 800v 平臺(tái)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(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，符合ASIL-B 功能安全等級(jí)。

硬件設(shè)計(jì)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(chǔ)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(dòng)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(gè)高速半橋高壓柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)間為 2us，還提供多個(gè)模塊保護(hù)功能，包括欠電壓鎖定、過電流鎖定、驅(qū)動(dòng)與集成電路的溫度監(jiān)測(cè)和故障報(bào)告等，為汽車電機(jī)應(yīng)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(shè)計(jì)

       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(duì) MCU 供電，并實(shí)時(shí)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(jí)管的穩(wěn)壓器型號(hào)，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(duì)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(shí)提供潛在的故障監(jiān)測(cè)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。控制器包含可編程振蕩器，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(dòng)、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(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(hào)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(shí)器的過載保護(hù)。所有保護(hù)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(fù)周期，以便在故障條件消除時(shí)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(jí) NSI8220W0 來傳輸 PWM 信號(hào)、反饋 VFO、LDO_PG 信號(hào)。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(jí)可選 3.5kVrms、5kVrms

• AEC-Q100 1 級(jí)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(hào)。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(jí)5kVrms

• AEC-Q100 1級(jí)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(duì) 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(jí)5kVrms

• AEC-Q100 1級(jí)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(jí) SGM8557H-1AQ 來對(duì)電壓、電流采樣隔離器輸出的差分信號(hào)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(dòng)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(jí)認(rèn)證

方案原理圖：

1.MCU 板

2.高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)板

PCB Layout：

        1. MCU 板

        2.高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)板

軟件設(shè)計(jì)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，但諧波較小；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(shí)現(xiàn)流程大致如下：

① 判斷合成矢量所在扇區(qū)

② 計(jì)算相鄰矢量作用時(shí)間

③ 計(jì)算各橋臂導(dǎo)通時(shí)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(jì)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(duì)齊的 PWM 信號(hào)，在重新裝載計(jì)數(shù)值時(shí)，F(xiàn)TU 支持產(chǎn)生重新裝載的觸發(fā)信號(hào)用于通知 2 個(gè) PTIMER 開始計(jì)時(shí)，當(dāng) PTIMER 計(jì)時(shí)到 PWM 的中心點(diǎn)時(shí)，PTIMER 產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)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(jì)算下一周期各個(gè)通道的 PWM 占空比，從而完成對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制。