世平基于新能源电车 e-Conpressor 空压机(Spark-800V)应用方案

大联大世平集团针对新能源电车 800v 平台架构，推出基于 e-Compressor 空压机应用方案。此方案主要由 Flagchip 的 MCU FC4150，NXP 的汽车安全系统基础芯片(SBC) FS23，安森美的 IPM 模块、PSR DC-DC 器件，圣邦微的 OPA，纳芯微的隔离器件组成。用作驱动空调压缩机，符合ASIL-B 功能安全等级。

硬件设计说明: 

       1. 主控

       采用的是旗芯微 FC4150F512BS1P64T1A，使用高性能的 ARM Cortex-M4 为内核的 32 位微控制器，最高工作频率可达 150 MHz，内置高速存储器，丰富的 I/O 端口和多种外设。

FC4150F512BS1P64T1A 框图如下图所示：

      2. IPM

      电机驱动部分，方案采用集成预驱与 6 颗 IGBT 管的 IPM 来做电机的电子换相控制。芯片采用的是 Onsemi 的 NFVA23512PN2T。NFVA23512PN2T 内置 3 个高速半桥高压栅极驱动电路，集成了（1200V/35A）低损耗的 IGBT 管，内置高边自举二极管，最大支持 20Khz 的 PWM，死区最小时间为 2us，还提供多个模块保护功能，包括欠电压锁定、过电流锁定、驱动与集成电路的温度监测和故障报告等，为汽车电机应用提供了一个全功能、高性能的逆变器。

NFVA23512PN2T 框图如下图所示：

3. 电源设计

       低压电源供电部分,分为两路，第一路采用反激隔离式 DC-DC 向 IPM-15V 与隔离器件的 VDD1 供电，另外一路采用 SBC 对 MCU 供电，并实时监控反激隔离式 DC-DC 的输出电压状态。

        MCU 电源部分，采用了一颗带有功能安全的电源管理芯片(ASIL-B)，它是恩智浦 的 FS2300 ，FS2300 具有多路 LDO 输出，另可选 BUCK 或外置 NPN 三级管的稳压器型号，可为 MCU、SENSOR、外设IC和通信接口供电。FS2300 的监控诊断包括唤醒输入、看门狗、复位、中断，以及对电路诊断后的失效输出等，并内置 CAN、LIN 模块，这颗 FS2300 & FC4150 通过 SPI 通信，在系统运行时提供潜在的故障监测输出，以提供增强的安全特性。

FS2300B 框图如下图所示：

       IPM 电源部分，采用 onsemi 的 NCV12711ADNR2G，它是一款固定频率峰值电流模式 PWM 控制器，适用于隔离式 DC-DC 拓扑结构。该器件在 4V 至 45V 范围内工作，无需辅助绕组。控制器包含可编程振荡器，可在100 kHz 至 1 MHz 范围内工作，并集成斜率补偿以防止次谐波振荡。此外，控制器还包括可编程软启动、输入电压欠压锁定保护和过功率保护（OPP）电路，可限制输入电压增加时电路的总功率能力。UVLO 引脚还具有关断比较器，允许外部信号禁用开关，并将控制器置于低功耗状态。NCV12711 还包含一系列保护特性，包括逐周期峰值电流限制、平滑频率增加和基于定时器的过载保护。所有保护特性都会将器件置于故障模式，并具有 1 秒的自动恢复周期，以便在故障条件消除时允许系统恢复。

NCV12711ADNR2G 框图如下图所示：

4. 数字隔离器

       数字隔离器部分，方案采用纳芯微的车规级 NSI8220W0 来传输 PWM 信号、反馈 VFO、LDO_PG 信号。NSI8220W0 的其特点如下：

• 电源电压 2.5V-5.5V

• 传输速率 150Mbps

• 共模瞬变抗扰度 250kV/us

• 传播延时 15ns

• 绝缘耐压等级可选 3.5kVrms、5kVrms

• AEC-Q100 1 级认证

5. 电压采样隔离器

       电压采样部分选用纳芯微的 NSI1311来采样母线电压、IPM 温度信号。NSI1311的其内部框图与特点如下：

• 电源电压 2.5V-5.5V

• 输入电压范围 0.02-2V

• 输入失调电压 ±1.5mV

• 放大倍数 1

• 输入阻抗高达 1GΩ

• 带宽 300kHz

• 共模瞬变抗扰度 150kV/us

• 绝缘耐压等级5kVrms

• AEC-Q100 1级认证

6. 电流采样隔离器

       电压采样部分选用纳芯微的 NSI1300D25来对 IPM 的底边管进行电流采样。NSI1300D25的其内部框图与特点下：

• 电源电压 2.5V-5.5V

• 输入电压范围 ±250mV

• 输入失调电压 ±0.2mV

• 放大倍数 8.2

• 带宽 310kHz

• 共模瞬变抗扰度 150kV/us

• 绝缘耐压等级5kVrms

• AEC-Q100 1级认证

7. OPA

运算放大器部分，方案采用圣邦威的车规级 SGM8557H-1AQ 来对电压、电流采样隔离器输出的差分信号转化为单端输出供 MCU ADC 外设采样。SGM8557H-1AQ 的其特点如下：

• 电源电压 2.7V-5.5V

• 输出驱动能力高达 230mA

• 轨至轨输出

• 输入失调电压 15uV

• 15MHz的增益带宽和7.5V/us 的压摆率

• AEC-Q100 1 级认证

方案原理图：

1.MCU 板

2.高压电机驱动板

PCB Layout：

        1. MCU 板

        2.高压电机驱动板

软件设计说明: 

       方案软件部分采用世平 Sensorless FOC 双电阻采样的软件库架构，通过板载电位器给定速度命令使电机旋转。软件采用双环控制（电流环+速度环），矢量控制的框图如下图所示：

1. SVPMM

       空间矢量脉宽调制（SVM）是 FOC 的基础，是根据其所在扇区选择非零矢量与零矢量合成而成，有五段式、七段式、混合式。七段式开关次数较多，但谐波较小；五段式开关次数是七段式的一半，但谐波较大，代码采用的是七段式。其实现流程大致如下：

① 判断合成矢量所在扇区

② 计算相邻矢量作用时间

③ 计算各桥臂导通时间

④ 得到各相 PWM 占空比

⑤ 更新相应寄存器值

2. Current Sensing

        在电流环，软件中的电流采样选择双电阻采样，通过采样 V 和 W 相的下桥臂电阻上的压降，再用基尔霍夫电流定律计算第三相（U 相）的电流。

3. FC4150 外设间的相互配合

        在 FOC 控制中 FTU 需要产生中心对齐的 PWM 信号，在重新装载计数值时，FTU 支持产生重新装载的触发信号用于通知 2 个 PTIMER 开始计时，当 PTIMER 计时到 PWM 的中心点时，PTIMER 产生触发信号通知 ADC 进行采样，采样完成后发生 ADC 中断得到三相电流，FOC 算法函数开始计算下一周期各个通道的 PWM 占空比，从而完成对电机的磁场定向控制。