威雅利电子基于空调室外风机的应用

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为600V电压，3A电流。本文将介绍使用STM最新推出Cortex-M0内核的Value Line系列基于SLLIMM-nano系列功率模块在空调室外风机上的FOC 单电阻无传感器应用。

软件

STM32F030K6T6是STM最新推出Cortex-M0内核的Value Line系列产品，针对一些对价格敏感的电机驱动应用。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48MHz，得益于Cortex-M0内核，高效的数据处理能力足以满足磁场定向控制对数据实时运算的要求，性价比极具竞争力。

我们知道空调室外风机通常至于户外，因户外的不确定使用环境，风机启动时会面临三种扇叶状态，一是扇叶在静止状态下启动;二是扇叶在顺风下启动;三是扇叶在逆风下启动。当无感电机在无霍尔传感器判别转子位置时，如何通过检测电流来正确启动风机，成为难点，特别是在逆风情况下。

图 1

在使用STM32的FOC SDK开发风机驱动时，我们可以通过在启动阶段通过运行状态观测器来判断转子的初始速度和角度，设定一个初始速度阀值，当通过观测器检测到速度为负时，认为是逆风，同时打开制动功能;当初始速度检测到大于阀值，认为是在顺风状态，该算法已在库函数中实现。整个过程可以通过SDK的GUI软件ST Motor Control Workbench来配置。

在GUI中打开Start-up parameters配置页面，通过设定“Minimum start-up output speed”来设置初始速度阀值(图1)，并选择使用“Advanced customized profile”，配置阶梯启动方式(图2)

图 2

IPM

Nano在意大利语中有“微小”之意，该系列共2颗料号，基本型STGIPN3H60A和全功能型STGIPN3H60。

图3. SLLIMM-nano截面示意图

STGIPN3H60A内部集成了六个低损耗抗短路(5微秒承受时间)保护的IGBT、六个低正向压降和软恢复续流二极管、三个高压栅极驱动器HVIC(使用BCD工艺设计，内部集成了自举用的二极管)。 在保护方面集成了NTC温度传感器、死区时间控制，联锁功能(Interlocking Function)，欠压锁定(Undervoltage Lockout)功能，在全功能型STGIPN3H60上还集成了防止过流和短路的故障保护比较器、智能关断功能智能关断功能(Smart ShutDown Function) 、关机保护功能(SD Function) 、电流采样运算放大器。

IPM内部集成的IGBT是基于ST的最新PowerMESH工艺制造，单管集电极连续电流可达3A(在25 °C常温下)，峰值电路可达18A。这些IGBT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。

如图4， IPM电路高压栅极驱动框图。下文将以此介绍IPM设计注意事项。

图 4 高压栅极驱动框图

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 ~ 21V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4，该电路会监测IPM的VCC电压值。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。

表1，低压供电电压VCC与工作性能关系

如表1，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。特别需要注意的是STGIPN3H60和STGIPN3H60A的内部使用不同的上下拉电阻，因此两个模块对输入信号电平要求是不相同的，如表2。

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。

表2 内部上拉/下拉电阻典型值

故障检测比较器

在全功能的STGIPN3H60版本中，其内部集成了一个用于检测故障的比较器，如过流、过温等都可以用该比较器来测量。故障检测比较器的反相端连接到一个内部参考电压VREF，同相输入端通过CIN引脚输入。简单的做法是将同相输入端连接到外部采样电阻上检测采样电阻电压实现过流检测，或与内部的NTC相连实现过温检测。这里需要注意的是，当使用比较器作为过流检测应用时，IPM外部的CIN也同样必须外加一个RC滤波网络(RSF和CSF)，用于抑制电流尖冲的干扰，防止故障检测比较器过于敏感的误动作。

智能关断功能(SD/OD)

在全功能的STGIPN3H60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4所示，可以看到智能关断模块接受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，模块立即动作关闭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。