【经验】300KW三相逆变器CRD300DA12E-XM3的控制系统硬件设计

时间： 2019-12-15 来源：Wolfspeed

CRD300DA12E-XM3是WOLFSPEED公司推出的300KW三相逆变器参考设计方案，旨在帮助工程师快速评估、设计基于SiC半桥功率模块CAB450M12XM3的应用。该方案采用低电感、低导通阻抗、高功率密度SiC模块CAB450M12XM3作为功率器件，直流侧采用低电感、高脉冲电流DC-link薄膜电容作为支撑电容，叠层母排作为正负极母排，并采用高性能液冷散热器加强散热，通过优化的结构设计，实现了功率环路仅12nH的杂散电感总量和32.25kW/L的功率密度。精心优化的功率回路加性能良好的控制电路，是实现高性能逆变器的必要调节。本文主要介绍和分析CRD300DA12E-XM3的控制系统的硬件设计。

一、系统原理图

图2. CRD300DA12E-XM3逆变器系统原理图

二、控制系统的组成和硬件设计简介

CRD300DA12E-XM3逆变器完整的控制系统包括：辅助电源，输出电压采样电路、输出电流采样电路、温度采样电路、DSP控制器等电路。下面简单介绍各部分电路的设计要点。

电流传感器选型

三相输出回路中相电流采样选择500A、1500V初次极隔离电压、±15V供电的闭环电流传感器LEM^TM LF 510-S（图3中蓝色部分所示）。相对于开环电流传感器，闭环传感器可以提供更高的精度，更优的噪声抑制性能和更低的温度漂移。每一相输出母线穿过传感器的中心，传感器的信号线经过调理电路后，进入控制器ADC单元（模数转换单元）。通常控制器ADC单元输入电压0~3V，对于本系统定标标准为：当一次侧电流峰值±800A时，ADC输入端为1.5V。在设计时控制板总共设计4路电流测量，其中1路可作为备份，用于测量其它支路的电流，如带有输出中线的支路电流。

图3. 电流传感器及其安装位置

输出电压采样

三相输出电压采样电路采用单独的一块PCB设计，内置1800V绝缘电压的分压器，三相输出电压正负采样线接入菲尼克斯Contact® 1719231接头，如图2所示，Pin1 ~Pin6分别对接入输A、B、C三相输出高压采样线。进入内部分压电路后，±1200V电压成比例缩小到0~3V输入到ADC单元，输入为0V时，输入ADC对应电压1.5V。采用高电压信号进行分压采样，而不采用预缩放后再采样（例如变压器降压采样），有助于同时对噪声信号进行压缩，会获得更高的噪声抑制水平。

图4. 输出三相电压采样接口

直流侧电压采样

直流侧通常配置有放电电阻，当设备停机后对DC-link电容放电，所以直流侧电压采样可通过采集电阻分压值来获取。比例系数为0~1200VDC对应于0~3VDC控制器ADC的输入电压。

温度采样

功率平台可靠的运行需要各种保护措施，其中对功率平台的温度进行监管就是重要的一项。将NTC温度探头尽可能的靠近功率器可（通常时植入到靠近功率器件的散热器里），并将隔离频率调制信号反馈给主控制器，可以得到近似的CAB450M12XM3工作结温。XM3工作结温与NTC电阻值关系如下图所示：

计算公式：

在控制板上通常也安装一个温度传感器，用于监测控制盒中的温度。采用10KΩ NTC电阻和10KΩ固定电阻串联，经过低通滤波器后（滤除高频干扰信号），通过对中点电位的测量来计算温度。计算公式如下（单位：K）

放电板设计

由于直流侧DC-link电容存储能量大，电压高，为保证使用安全需要在设备停机时即使的将能量泄放掉，采用电阻串并联电路放电，要求在1分钟以内将电容电压从800V降至50V，其电阻最大耗散功率约9.4W。通常采用9个1500V额定电压的电阻组成放电电路，并单独设计一款放电PCB，通过导线连接到直流母线，以便于散热。选型时需注意电阻的额定功率值，通常选择2~3W的碳膜电阻。

主控制器

本方案中选择主控制器为TI的TMS320F28379 双核DSP芯片，工作频率200MHz，32位浮点处理器。选择该处理器是因为该芯片内部经优化的外设十分适合电机驱动和转换器应用，其中包括两路CAN通信接口，两个用于位置反馈的正交编码器输入，24路高级PWM输出单元，4个独立的12位精度的ADC单元，可采集24路外部信号，另外该处理的带有两路独立的双浮点内核，可将实时性高的闭环代码放入其中的一个内核执行，其他的程序代码，如采样程序、I/O监控程序、通信程序、告警程序等放入另外一个内核执行，已达到更优的实时性。

图5. 采用TMS320F28379设计的控制器主板

高性能的逆变器不但需要优秀的软件算法，同时也需要精心设计的硬件支持，以及高性能、高实时性的DSP芯片，性能优异的TMS320F28379 可为300KW逆变器提供足够的外设和计算支持。

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型号- CRD300DA12E-XM3,CAB450M12XM3,CGD12HBXMP,XM3

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型号- CAB450M12XM3,CRD300DA12E-XM3,CRD250DA12E-XM3,CGD12HB00D,CAB400M12XM3,KIT-CRD-CIL12N-XM3,CGD15HB62LP,CGD12HBXMP,XM3

2019/07/11 - WOLFSPEED - 技术文档

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型号- CAB450M12XM3,CGD12HB00D,CRD300DA12E-XM3,KIT-CRD-CIL12N-XM3,CGD12HBXMP,XM3

2019-06-01 - WOLFSPEED - 数据手册 - Rev. A

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型号- CX100Μ1100D51KF6,CRD300DA12E-XM3,CAB450M12XM3,CGD12HB00D,KIT-CRD-CIL12N-XM3,CP3012-XM3,CGD12HBXMP,XM3

2019-06-01 - WOLFSPEED - 数据手册 - Rev. A

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型号- 71918-116LF,CGD12HB00D,CAB450M12XM3,CRD300DA12E-XM3,1700/16 100SF,71600-016LF,KIT-CRD-CIL12N-XM3,HF365/16SF,CGD12HBXMP,CGD15HB62LP,XM3

2019-06-01 - WOLFSPEED - 数据手册 - Rev. A 查看更多版本

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