CXMD32131逆变器控制芯片：电流模式SPWM调制，支持三相级联与多机应用

只看该作者 · 2025-7-29 15:48

一、芯片核心特性与应用领域

CXMD32131 是一款专为高性能逆变器设计的控制芯片，采用电流模式中心对齐PWM调制技术，载波频率20kHz，兼容MOS管与IGBT功率器件。其独特架构支持实时输出电压/电流跟踪（每周期50μs），实现空载波形失真率<1.5%、满载<3%的高精度输出，满足工业级正弦波逆变需求。

1.关键特性亮点：

1.1灵活配置功能

1.1.1)死区时间可选：300ns/500ns/1μs/1.5μs（通过DT0/DT1引脚设置）

1.1.2)桥臂互换控制（HM引脚）：优化PCB布局

1.1.3)固定频率选择：50Hz/60Hz（FRQSEL引脚）

1.1.4)软启动使能（SST引脚）：降低开机冲击

1.2多机级联与三相支持

1.2.1)通过Multi_INV引脚选择主机/从机模式

1.2.2)Phase_SEL引脚实现0°/120°相位跟踪

1.2.3)同步信号（VZC_IN输入、AC_Fout输出）支持光耦隔离级联，构建三相四线系统（需独立隔离母线电源）

1.3.全保护机制
CXMD32131 内置了完善的系统保护功能，提供了输出过载保护、输出过流保护、直流母线电压过压和欠压保护、输出电压欠压保护、过温保护及短路保护等。同时提供了两种复位方式 , 一种是硬件复位 , 由芯片的 28 脚 AC_RST 低电平有效进行复位 , 另一种由UART 串口命令复位 , 通过逆变器开启寄存器。
下列的各项保护参数值是基于 1KW 应用图而设定的，如用户有特殊要求，可以提供修改。

1.3.1)电压保护：直流母线过压(>440V)/欠压(<290V)、交流输出欠压

1.3.2)输出过流保护：过载(>1200W)、过流(>5.5A)、短路(响应<30ms)
CXMD32131 具有过流保护功能，过流值大于 5A 时，红灯 LED 指示灯开始闪烁，过流值大于 5.5A 并持续60 秒时，逆变器关断，并输出红灯LED常亮，同时用户通过串口可以读出相应的保护信息。
1.3.3)PCB过温保护：PCB过温(>85℃)、IGBT过温(>130℃)
CXMD32131具有PCB过温保护功能，PCB温度大于85℃时，逆变器关断，并输出红灯 LED 常亮，同时用户通过串口可以读出相应的保护信息。

1.3.4)输出过载保护:
CXMD32131 具有过载保护功能，过载功率大于 1100W 时，红灯 LED 指示灯开始闪烁，过载功率大于 1200W并持续 60 秒时或大于 1300W 并持续 1 秒，逆变器关断，并输出红灯 LED 常亮，同时用户通过串口可以读出相应的保护信息。
1.3.5)直流母线电压过压、欠压保护
CXMD32131 具有母线电压过压和欠压保护功能，直流电压低于 290V 或高于 440V 时，逆变器关断，并输出红灯LED常亮，提供用户通过串口可以读出相应的保护信息。
1.3.6)功率管过温保护
CXMD32131 具有功率管过温保护功能，功率管温度大于 130℃时，逆变器关断，并输出红灯 LED 常亮，同时用户通过串口可以读出相应的保护信息。
1.3.7)短路保护
CXMD32131 具有输出短路保护功能，短路保护时间小于 30mS，当输出短路发生时，逆变器关断，并输出红灯 LED 常亮，同时用户通过串口可以读出相应的保护信息。

1.3.8)MOS管峰值电流保护
CXMD32131+CXBD3501 的 SPWM 驱动板方案中，MOS 管的峰值电流保护部分，使用了CXBD3501芯片中自带的200mV 基准源的高速比较器，用户可以通过外部的采样电阻阻值大小及采样分压电阻的比例，来设定 MOS管的峰值电流保护值，电路结构图如图 9.7a所示。

当设定四路 MOS 管的峰值电流保护值时，下列的计算公式供参考设计：
MOS 管 S1 的峰值电流保护值为： Is1_peak=200mV*(1+R26/R25)/RS1
比如如图 9.7a所示的参数， R26=10K ， R25=10K ， RS1=10mΩ时，
Is1_peak=200mV*(1+10K/10K)/10mΩ=40A
MOS 管 S2 的峰值电流保护值为： Is2_peak=200mV*(1+R36/R30)/ （ RS2+RS5 ）
比如如图 9.7a所示的参数， R36=10K ， R30=3.3K ， RS2=10mΩ， RS5=10mΩ时，
Is2_peak=200mV*(1+10K/3.3K)/(10mΩ+10mΩ)=40A
MOS 管 S3 的峰值电流保护值为： Is3_peak=200mV*(1+R33/R29)/RS3
比如如图 9.7a所示的参数， R33=10K ， R29=10K ， RS3=10mΩ时，

Is3_peak=200mV*(1+10K/10K)/10mΩ=40A
MOS 管 S4 的峰值电流保护值为： Is4_peak=200mV*(1+R24/R23)/ （ RS4+RS5 ）
比如如图 9.7a所示的参数， R36=10K ， R30=3.3K ， RS2=10mΩ， RS5=10mΩ时，
Is4_peak=200mV*(1+10K/3.3K)/(10mΩ+10mΩ)=40A

2.应用领域覆盖：

2.1)单相/三相纯正弦波逆变器

2.2)光伏/风力发电逆变系统

2.3)锂电发电机、储能电源、UPS不间断电源

二、硬件设计关键要点1.反馈电路设计

1.1)电压反馈(VAC_FB)：

1.1.1)差分运放采样输出电压，内部基准为1.65V DC偏移+1.36V幅值正弦波。设计需严格匹配电阻对称性：

1.1.2)R48+R46 = R49+R47, \quad (R32//R33) = (R36//R34)

1.1.3)230V输出方案：运放增益≈1/240（例：峰值325V→VAC_FB=3.03V）

1.1.4)120V输出方案：增益≈1/118（例：峰值170V→VAC_FB=3.12V）
CXMD32131 是通过外部运放组成的差分放大器，实时采样交流输出电压，输出电压的调整率为每个 PWM 周期(50uS)时间，跟传统逆变器峰值电压采样的方式相比，CXMD32131 的输出电压精度和动态响应时间大大提高，波形失真度能在3%以内。

CXMD32131 内部的正弦电压基准为直流偏移量1.65V+幅值1.36V的50Hz或60Hz正弦波，通过外部差分运放的放大和直流偏移量1.65V叠加后，送入到CXMD32131的26脚VAC_FB，经误差计算后，然后调整相应的输出电压。具体应用电路图可参考图 8.2a 和图 8.2b。
应用时必须要保证差分运放外接电阻的对称性 , 即(R48+R46)=(R49+R47),(R32//R33)=(R36//R34)当设定输出电压值时，下列的计算公式供参考设计：
用于 230V输出电压的计算步骤，电路结构图如图 8.2a：
第一步、计算直流偏移量：运放输出 Vout_DC=R33/(R32 + R33) x 5V=5.1K/15.1K x 5V≈1.68V（参考图 8.2a）

第二步、计算运放放大倍数： A=(R36//R34)/(R48+R46)
第三步、计算输出电压： Vout_AC=A*Vin
Vout_AC =R36 // R34 /(R48 + R46)x(VACL -VACN) ≈ 1/240 x(VACL -VACN) （参考图 8.2a）
从上述公式得出，该运放的放大倍数为1/240倍，比如当交流230V输出，峰值电压为325V，经差分运放1/240倍的放大后，输入到CXMD32131的26脚，其幅度为VAC_FB=Vout_DC+Vout_AC=1.68V+1.35V=3.03V，然后经内部电路误差计算后，再调整输出电压。用于 120V输出的计算步骤，电路结构图如图 8.2b的参数：
第一步、计算直流偏移量：运放输出 Vout_DC=R33/(R32 + R33) x 5V=5.1K/15.1K x 5V≈1.68V（参考图 8.2b）

第二步、计算运放放大倍数： A=(R36//R34)/(R48+R46)
第三步、计算输出电压： Vout_AC=A*Vin
Vout_AC=36 // R34 /(R48 + R46R)x(VACL -VACN) ≈ 1/118x(VACL -VACN) （电阻值参考图 8.2b）从上述公式得出，该运放的放大倍数为 1/118 倍，比如当交流 120V 输出的峰值电压为 170V 时，经差分运放1/118倍的放大后，输入到CXMD32131的26脚，其幅度为VAC_FB=Vout_DC+Vout_AC=1.68V+1.44V=3.12V，然后经内部电路误差计算后，再调整输出电压。

1.2)电流反馈(IFB1P/N, IFB2P/N)：

1.2.1)双路交替采样电流，内部增益9.5倍。采样电阻RS推荐0.01Ω（1.5kW应用），最大饱和电流：

I_{max} = 3000mV / (9.5 \times R_s) CXMD32131 采用了交替轮流方式采样输出电流，电路结构如图 8.3a 所示，IFB1P、IFB1N 和 IFB2P、IFB2N 分别采样 RS2 和 RS4 电阻上的电流，经内部 9.5 倍增益放大后，送入内部反馈模块进行运算， PCB走线时 IFB1P 、 IFB1N 和 IFB2P 、 IFB2N 需走差分信号线，串联在 IFBxP 和 IFBxN 上的电阻值推荐为 100Ω，如下图 8.3a 中的 R97、 R98 、 R101 和 R102 ，如用户需更改该值，建议不要超过 1KΩ，否则会影响内部放大器的增益。 CXMD32131 的电流反馈值设置了最大饱和电流限制，最大饱和电流为：Imax=3000mV/9.5/Rs 如 Rs 选0.01Ω时，可得出最大电流 Imax=3000mV/9.5/0.01Ω=31.5A ，该电流值是比较适合 1.5KW 的逆变器应用，不同功率应用时，可选取不同阻值的采样电阻值，可参考上述的公式进行计算。应用时 ,IFB1P 、 IFB1N 和 IFB2P 、 IFB2N 脚不能做悬空或接地处理，必须要严格按照 8.7 章节的接法，否则不能输出正常正弦波形。在批量生产时，考虑硬件精度的误差导致输出电压和输出电流的偏差，提供了上位机软件，供输出电压和输出电流校正，用户可以到我司的网站上或联系我们，下载相应的上位机软件。

1.3)布线要求：差分走线，串联电阻≤1kΩ（典型值100Ω）。

2.保护电路设计

2.1)温度检测(TFB1/TFB2)：

2.1.1)PCB测温：10k NTC（B=3950） + 6.2kΩ分压，85℃保护（迟滞10℃）

2.1.2)IGBT测温：100k NTC + 6.2kΩ分压，130℃保护（迟滞10℃）
CXMD32131 提供了两路温度反馈 TFB1 和 TFB2 用于温度检测及保护，TFB1 主要用于PCB 板级的温度保护， TFB2 主要用于功率管的温度保护，电路结构如图 8.4a所示。

TFB1 的检测电路由RT1和电阻 R60组成一个简单的分压电路，RT1 选用 25℃对应阻值10K（B 常数值为 3950）的 NTC 热敏电阻，下拉电阻R60 选用2KΩ，TFB1 引脚的过温电压值设定在 3.3V，对应温度保护值 85℃左右 (此时 NTC 的电阻值为 1.08K ） , 退出过温保护的迟滞值为 10℃，即低于 75℃退出过温保护。 TFB2 的检测电路由 RT2 和电阻R61组成一个简单的分压电路，TFB2 主要用功率管的温度保护，RT2 选用25℃对应阻值100K（B 常数值为 3950）的NTC热敏电阻，下拉电阻 R61 选用 6.2KΩ，TFB1 引脚的过温电压值设定在 3.3V，对应温度保护值 130℃左右 (此时 NTC 的电阻值为 3.526K ） , 退出过温的迟滞值为
10℃，即低于 120℃退出过温保护。

2.2)母线电压检测(VDC_IN)：

过压关断2.8V（对应440V），欠压关断1.8V（对应290V），外接分压电阻实现。
为了防止过高或过低的母线电压输入到逆变器而引起的损坏，CXMD32131 芯片内置了母线电压检测电路，提供了直流母线电压过压和欠压两种关断功能，电路结构图如图 8.5a 所示，通过 CXMD32131 的 27 脚，外接分压电阻来实现母线电压的检测。
CXMD32131 芯片内部的过压关断值为 2.8V，按图 8.5a 的参数，对应的过压保护值为 440V，延时时间为500mS ，退出过压保护的迟滞值为 10V，即低于 430V退出过压保护。欠压关断值为 1.8V，按图 8.5a 的参数，对应的欠压保护值为 290V，延时时间为 10S ，退出欠压保护
的迟滞值为 30V，即高于 320V 退出欠压保护。

3.死区时间配置

CXMD32131 芯片的引脚 DT1,DT0 是控制死区时间，死区时间控制是功率 MOS 管的重要参数之一，如果无死
区时间或太小会导致上下功率 MOS 管同时导通而烧毁 MOS 管现象, 如果死区太大会导致波形失真及功率管发热严重现象，图 8.6a 为 CXMD32131 内部死区控制时序，如图所示引脚 DT1,DT0 去设置 4 种死区时间,“00”是 300nS 死区时间，“01”是 500nS 死区时间 , “10”是 1uS 死区时间 , “11”是 1.5us 死区时间。

死区时间直接影响功率管安全与效率：

DT1	DT0	死区时间
0	0	300ns
0	1	500ns
1	0	1μs
1	1	1.5μs

4.PWM调制方式

CXMD32131 采用中间对齐 PWM 调制方式，调制频率为 20KHz，该调制方式的优点是 H 桥上开关管的频率为20KHz ，输出电感和输出电容上的开关频率是 PWM 频率的二倍（ 40KHz ），跟传统逆变器的单极性或双极性调制方式相比，在相同功率下， MOS 管或 IGBT 管上的开关损耗相同，作用在输出电感和电容上的频率是传统的 2 倍，这种调制方式可以降低电感的体积和线径。

5.H桥的左、右桥臂互换控制
为考虑 PCB 布局时，需左、右桥臂对换下更利于走线的目的，CXMD32131 支持 H 桥的左右桥臂互换功能，该功能由 CXMD32131的引脚1脚（HM）来选择。
当 CXMD32131 的1脚输入为 “0”时，电路结构图如图8.7a所示，具体的说明如下：
CXMD32131 的输出信号 PWM2H、PWM2L 控制左桥臂的功率管 S1 和 S2，输出信号 PWM1H、PWM1L 控制右桥臂的功率管 S3 和 S4 ，如图 8.7a 所示。
此时， IFB2P 和 IFB2N 是负责左桥臂的电流采样，需接到 RS2 的电阻上， IFB1P 和 IFB1N 是负责右桥臂的电流采样，需接到 RS4 的电阻上。
电压反馈上， ACL 上的电感 L1 需接到 H 桥左桥臂的中点， ACN 上的电感 L2 需接到 H 桥右桥臂的中点，差分运放的正端经分压衰减后接到 ACL，负端经分压衰减后接到 ACN，这样保证输出电压反馈跟内部基准电压同相位。

三、多机系统与三相架构实现1.单相并联方案

1.1)主机配置：Multi_INV=0, Phase_SEL=0

1.2)从机配置：Multi_INV=1, Phase_SEL=0

1.3)同步信号AC_Fout（主机）→ VZC_IN（从机），实现相位同步。

2.三相四线系统

2.1)三台逆变器级联，母线电源完全隔离（400V_A/GND_A, 400V_B/GND_B, 400V_C/GND_C）

2.2)主机：Multi_INV=0, Phase_SEL=0

2.3)从机B：Multi_INV=1, Phase_SEL=1（120°相位）

2.4)从机C：Multi_INV=1, Phase_SEL=1（240°相位）

2.5)同步链路：主机AC_Fout → 从机B VZC_IN → 从机C VZC_IN

四、UART通讯协议详解

串口描述串口配置：（ 9600.8.N.1 ）

波特率： 9600
数据位： 8 位
校验位：无
停止位： 1

通讯功能：
串口通讯功能分为 APP 功能和 CFG 功能两部分。 APP 功能为正常应用功能，包含芯片主动发送状态消息，和接收外部控制命令的功能。CFG 功能为高级配置功能，主要实现芯片的工作模式配置、参数校准等功能。APP 功能通常应用在逆变系统工作时，而 CFG 功能通常应用在逆变系统停机状态下。通过 CFG 功能配置的参数，会存储在芯片内部的 FLASH 空间中，在芯片上电时自动加载。

1.APP功能（运行时数据交互）APP 功能为正常应用功能，包含芯片主动发送状态消息，和接收外部控制命令的功能。 APP 功能通常

应用在逆变系统工作时，持续向外发送状态消息，并实时接收外部命令，执行相应控制操作。

1.1)消息格式：16字节，200ms周期发送

1.2)关键数据字段：

1.2.1)BYTE1-2：输出电压（0.1V分辨率）

1.2.2)BYTE3-4：输出电流（0.01A分辨率）

1.2.3)BYTE12-13：输出功率（1W分辨率）

1.2.4)BYTE10：故障码（过载=0x01, 短路=0x02, 过温=0x07）

1.3)控制命令：

1.3.1)逆变开启：0x7D 0xD7 0xFE 0xDA

1.3.2)逆变关闭：0x0F 0xF0 0x5A 0x36

1.4)APP 消息发送芯片上电后，会间隔200ms周期持续向外部发送状态消息，长度为 16 个字节。

1.5)APP 消息接收

芯片可接收的 APP 消息共有 2 条。
逆变关闭：收到逆变关闭消息后，关闭逆变输出。
逆变开启：收到逆变开启消息后，清除故障状态，启动逆变输出。
消息长度同样为 16 字节，超时 50ms 接收，即外部发送数据时，两个字节之间的时间间隔应小于
50ms，如超过 50ms，则判断为当前消息结束，为提高通讯效率，两个字节之间的时间间隔可以尽量小。两组消息之间时间间隔应大于 50ms，为避免接收乱帧，推荐两组消息之间时间间隔大于 100ms。

2.CFG功能（参数配置）

CFG 功能为高级配置功能，主要实现芯片的工作模式配置、参数校准等功能。 CFG 功能通常应用在逆变系统停机状态下。通过 CFG 功能配置的参数，会存储在芯片内部的 FLASH 空间中，在芯片上电时自动加载。CFG 功能需要外部发送请求消息，芯片响应请求服务并回复应答消息。
发送和接收均采用16字节固定长度，消息以 ASCII 码’E’、’G’开头， CRC16结尾。为区分APP消
息和 CFG 消息， CRC校验结果稍有不同， APP消息的CRC校验结果=f(X16+X15+X2+1)。而CFG消息的CRC校验结果相当于在APP校验基础上加1 ，即 CFG 消息的校验结果=f(X16+X15+X2+1)+1

2.1)消息头：0x45 0x47（ASCII "E G"）

2.2)核心服务：

2.2.1)0x22服务：读DID（例：读序列号、固件版本）
0x22 服务是读 DID 服务，系统的配置参数、版本信息等都存储在 DID 中，通过请求 0x22 服务，主机可以读取芯片的配置参数和版本信息灯内容。

2.2.2)0x2E服务：写DID（例：写入生产日期）
0x2E 服务是写 DID服务，通过请求 0x2E 服务，主机可以将配置参数和版本信息等内容写入芯片。

2.2.3)0x2F服务：IO控制（例：sfun=0x03开启测试模式）

2.3) CFG 请求消息

2.4)CFG 应答消息

五、测试模式与生产调试

为考虑在生产或调试逆变器时，需测试硬件电路的参数及工作情况，比如需测试 MOS 驱动器及门极的上升沿、下降沿参数、运放反馈电路等，CXMD32131 提供了一种测试模式，供用户调试硬件电路使用。通过接 CXMD32131的引脚 23（Test_Mode）到5V，CXMD32131 进入测试模式，在测试模式下，CXMD32131仅做的开环SPWM 输出，各项保护功能无效，即使电压反馈或电流反馈功能不正常，也不影响SPWM 输出。

1.进入方式：Test_Mode引脚接高电平

2.特性：

2.1)开环SPWM输出，关闭所有保护

2.2)反馈引脚范围放宽至0-5V（正常模式有严格限值）

3.应用场景：

3.1)功率管驱动时序测试

3.2)运放电路硬件验证

4.关键引脚在测试模式下和正常模式下的比较