Cascade模組整合級聯架構與HIL訊號橋接
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技術背景：為何需要級聯架構？
在高壓馬達驅動應用，通常需要採用高耐壓功率元件。然而，高耐壓MOSFET不僅選擇較少，且成本也相對較高，同時輸出電壓階數有限，容易影響輸出波形品質及輸出效率。透過多個H橋串聯，可合成更高的輸出電壓與多階電壓，不僅可降低MOSFET成本及選擇性較多，也能使輸出波形更接近正弦波，提升整體驅動性能。
針對此需求開發了一款模組為多通道級聯訊號模組，可支援1至8個H橋控制，適用於採用級聯架構的控制系統應用。
一、 級聯架構介紹
(圖一)為兩個H橋組成的級聯，其中電源E1與E2各自供電，透過串聯多個H橋，可組合出多階輸出電壓。
假設E1與E2都是相同電壓為E時，當一個H橋輸出電壓為E、另H橋輸出電壓為0時，總輸出電壓為E；當兩個H橋皆輸出電壓為E時，總輸出電壓為2E。此H橋架構，其輸出電壓組合可產生-2E、-E、0、E、2E五階電壓輸出。當串聯H橋數量增加，可產生更多電壓組合，使輸出波形更接近理想正弦波，進而降低馬達諧波失真、轉矩漣波與振動。
二、 MCU對接HIL測試瓶頸:數位輸入腳位不足
以三相馬達驅動來說，若每相8組H橋，三相共需要24組H橋，則每組H橋需4個控制訊號，總控制訊號數量需高達96個。目前HIL MR2 AD所提供的數位輸入腳位約40個，無法直接對接龐大控制訊號，造成HIL驗證過程中遇到腳位不足問題。
三、Cascade模組:MCU與HIL的訊號整合橋梁
為了解決級聯架構於HIL測試中的應用問題，我們開發了Cascade模組，作為MCU與HIL之間的訊號橋梁。
1. 電壓匹配:將外部控制訊號轉換為MR2 AD所需的3.3V訊號，有效解決電壓匹配或損壞風險。
2. 腳位不足問題:此模組最多支援96個數位輸入腳位，並整合輸出為27個數位訊號給MR2 AD，解決腳位不足問題。
3. 輸入電壓相容性高:最高可支援24V的數位輸入訊號，可相容於多數MCU及FPGA等控制板。
四、模組量測
如(圖三)所示，當輸入5V數位訊號時，透過模組轉換為3.3V輸出訊號，接至MR2 AD的數位輸入端。
五、結論
隨著級聯架構與高功率馬達控制系統普及，HIL測試已成為開發驗證與安全性重要工具。Cascade模組解決了電壓匹配與數位腳位不足等問題，提升了HIL測試的可靠性與擴充性。協助馬達驅控開發者以更安全、高效的方式完成系統驗證。
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