小型低损耗智能集成模块应用方案详解

　　本文将介绍使用STM最新推出Cortex-M4内核的MCU配合基于SLLIMM-nano二代系列功率模块在冰箱上的FOC 单电阻无传感器应用。随着国家能效政策的大力推广，越来越多的电机应用如洗衣机、风机、洗碗机、油烟机开始采样变频技术。在传统的电机驱动中，使用分立元件导致系统设计结构复制，可靠性降低，意法半导体（STM）推出针对小功率电机应用开发出一种结构紧凑，可靠性高的功率模块产品，称之为SLLIMM（Small Low-Loss Intelligent Molded Module）小型低损耗智能集成模块。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二代 为600V电压，5A电流。

　　软件设计

　　STM32F302C8T6 是STM最新推出基于Cortex-M4内核（内部有8MHZ RC 可以16 锁相环倍频）带有FPU（最大频率72MHZ）的产品，针对高性能电机驱动应用，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128MHz，得益于Cortex-M4内核强大的运算能力，内部集成一个带宽可达8.2MHZ高速运放模块。强大的处理内核，内部集成高速运放足以满足磁场定向控制（FOC）对数据实时运算的要求，性价比极具竞争力。

　　对于常见的内嵌永磁同步电机（I-PMSM） ，如冰箱压缩机，通常需要做饱压启动，会要求压缩机在重载的情况下短时间能启动成功，诸如类似滚筒洗衣，油烟机都会有类似的工作场景，所以ST在基于 Cortex-M4强大运算能力的基础上导入高频注入（HFI - High Frequency InjecTIon）功能，确保压缩机在大负载的环境下能在零速下顺利启动，进入正常运行模式。HFI功能需要基于STM提供的FOC SDK 4.0才能实现，同时STM也为了配合SDK 4.0的使用，在PC端提供了一个便捷易用的配置和在线实时调试软件ST Motor Control Workbench，方便用户快速入门（如图1）。

　　图1 ST Motor Control Workbench GUI

　　使用HFI功能，需要打开GUI 界面，在电机类型选择中选择"Internal PMSM"（目前HFI仅支持Ld

　　图2 电机本体特征参数配置对话框

　　通过GUI右侧的"Driver Management" 进入驱动管理模块页面，在出现的页面中选择"Speed PosiTIon Feedback Management" ，在弹出的对话框中选择"Main sensor"标签，通过"Sensor SelecTIon"下拉选择框，选中" Sensor-less （ HFI + Observer ）" （图 3） 。

　　图 3

　　同时为了满足HFI的调试要求，我们还需要进入通过GUI右侧的"Control Stage"进入"DAC Functionality"对话框，配合MCU自带的两个DAC模块输出调试需要的电流和电角度信号（图 4）。

　　图 4

　　MCU的电流采样的运放配置

　　由于STM32F302C8T6内部集成了PGA和Op-Amp，GUI同时也提供了一个清晰明了的配置界面用于配置运放的增益参数。通过GUI右侧的 "Control Stage"进入"Analog Input and Protection"对话框（图5），选择"Embedded PGA"。

　　图 5

　　在"Sensing OPAMP"中选择"Calculat"按钮，我们可以进入运放的增益电路电阻选择界面，如图6。我们可以配置电路设计预定的采样电流值，运放放大电路的电阻值，计算实际的电流放大倍率，配置产生的结果在界面右下方直接显示出来，方便用户核对。

　　图 6

　　IPM

　　STGIF5CH60TS- L是STM最新推出的600V 5A 集成智能功率模块，内部集成了六个TGFS IGBT（Trench Gate Field-Stop IGBT）、高边和底边栅极驱动器 （内部集成了自举用二极管）。集成了死区时间控制、欠压锁定（Undervoltage Lockout）、过流保护、短路故障保护比较器、智能关断功能（Smart ShutDown Function）、可选NTC。全塑封封装，隔离可支持1500 Vrms/min，并有通过UL 1557认证。

　　图 7

　　如图 7，IPM内部集成的IGBT单管连续电流可达5A，峰值电流持续1毫秒可达10A，短路承受时间可达5微秒，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。

　　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 ~ 20V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8，该电路会监测VCC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