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如何优化48V轻混电动车(MHEV)的电机驱动器设计

由 winniewei 提交于

<p><span>作者：Issac Hsu</span></p>

<p><span>制造商制造轻混电动车(MHEV)的最终目标是减少温室气体(GHG)排放。轻混电动车包含一个连接到车辆变速器系统的48V电机驱动系统。为了减少温室气体排放，轻混电动车中的内燃机(ICE)会在车辆滑行时关闭，同时该48V电机系统会为48V电池充电，以便为车辆供电。在本文中，我将讨论48V电机驱动器的一种设计方法，该设计可提供大功率的电机驱动，实现功能安全并且尺寸更加小巧。</span></p>

<p><strong>大功率电机驱动的注意事项</strong></p>

<p><span>对于汽车动力总成应用，典型的48V电机驱动系统需要10kW至30kW的电功率。传统的12V电池系统无法满足该功率水平，因此必须采用48V架构来支持大功率电机驱动。</span></p>

<p><span>阅读白皮书</span><a href="https://www.ti.com/cn/lit/wp/slvaf26/slvaf26.pdf?HQS=asc-mdbu-bldc-moto…;《如何构建功能安全的小型48V、30kW轻混电动车电机驱动系统》</span></a><span>，详细了解如何解决电机驱动系统驱动电路中的重大设计难题。</span></p>

<p><span>如图1所示，48V电机驱动器控制外部金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，以使电机旋转。这些外部MOSFET必须支持600A以上的电流才能实现30kW的功率目标。有效减小MOSFET的R</span><span>DS(on)</span><span>可减小热耗散和导通损耗，在某些情况下，每个通道中并联多个MOSFET将有助于分散热量，如应用手册</span><a href="https://www.ti.com/cn/lit/an/slvaf39/slvaf39.pdf?ts=1613515341384"><spa…;《使用DRV3255-Q1驱动并联MOSFET》</span></a><span>中所述。MOSFET的总栅极电荷可能高达1,000nC。</span></p>

<p><span>设计人员还需要优化由开关损耗引起的功率耗散，以使整个解决方案符合汽车电磁兼容性(EMC)规范。高栅极电流栅极驱动器（如DRV3255-Q1）可以驱动高栅极电荷MOSFET，其峰值源电流高达3.5A，峰值吸电流高达4.5A。即使在栅极电荷为1,000nC的情况下，如此高的输出电流也可以实现很短的上升和下降时间。可选的栅极驱动器输出电流水平使您可以微调上升和下降时间，从而在开关损耗和电磁兼容性(EMC)之间进行优化。</span></p>

<p><img alt="图1：大功率48V电机驱动器的最常见电源架构" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5607a460-c957-4108-b478-1182992ba2c7" src="http://new.eetrend.com/files/2021-03/wen_zhang_/100063195-126649-1.jpg&…; /></p>

<p><strong>图1：</strong><strong>大功率48V电机驱动器的最常见电源架构</strong></p>

<p><span>即使电池的标称电压为48V，电源电压也可能因运行期间的瞬态情况而发生很大的变化；请参阅图2中国际标准化组织 (</span><span>ISO) 21780</span><span><span>&nbsp;</span>规定的电压水平。此外，考虑到MOSFET寄生体二极管的反向恢复时间，电机驱动器引脚需要能够承受负瞬态电压。</span></p>

<p><img alt="图2：ISO 21780规定的48V系统的电压水平" data-entity-type="file" data-entity-uuid="4394d479-fdf5-4fe5-94fd-0c2040015fb0" src="http://new.eetrend.com/files/2021-03/wen_zhang_/100063195-126650-2.jpg&…; /></p>

<p><strong>图2：ISO 21780规定的48V系统的电压水平</strong></p>

<p><span>凭借能够承受105V电压的高侧自举引脚，DRV3255-Q1能够在90V的电压下支持真正的连续工作，并支持高达95V的瞬态电压。自举的高侧MOSFET源极和低侧MOSFET源极的额定瞬态电压为–15V，从而提供大功率电机驱动器系统所需的强大保护。</span></p>

<p><strong>48V电机驱动器的功能安全注意事项</strong></p>

<p><span>48V电机驱动系统存在产生不必要功耗的风险，这可能会导致出现过压情况，从而损坏系统。正常的系统响应是使所有高侧或低侧MOSFET导通，使电机电流再循环，避免产生更多电流。如果出现故障，系统必须具有适当地切换功能性MOSFET的机制，以避免进一步损坏。实施此类保护通常需要外部逻辑和比较器。</span></p>

<p><span>利用集成在DRV3255-Q1中的主动短路逻辑，您可以决定在检测到故障情况时应如何响应。可以将该逻辑配置为启用所有高侧MOSFET、启用所有低侧MOSFET或在低侧和高侧MOSFET之间动态切换（具体取决于故障情况），而不是通过禁用所有MOSFET来响应故障情况。此外，DRV3255-Q1符合ISO 26262规定的功能安全标准，并包含诊断和保护功能，可支持ASIL D级的功能安全电机驱动器系统。</span></p>

<p><strong>48V电机驱动器的尺寸注意事项</strong></p>

<p><span>发动机舱中的空间有限，因此要求48V电机驱动器系统的电路板具有较小的尺寸。图3展示了传统48V大功率电机驱动器设计的典型电机驱动器方框图。要实现具有强大保护功能的安全电机驱动器系统，需要使用钳位二极管、外部驱动电路、汇路电阻器和二极管、比较器以及外部安全逻辑。这些外部器件会导致布板空间增大并使系统成本升高。</span></p>

<p><img alt="图3：典型的48V大功率电机驱动器方框图" data-entity-type="file" data-entity-uuid="14f6c3f9-e199-470a-9f32-3ae64a0e6e47" src="http://new.eetrend.com/files/2021-03/wen_zhang_/100063195-126651-3.jpg&…; /></p>

<p><strong>图3：典型的48V大功率电机驱动器方框图</strong></p>

<p><span>在采用DRV3255-Q1后，通过集成外部逻辑和比较器、可调节高电流栅极驱动器以及对大电压瞬态的支持（无需额外的外部器件），可以提供显著的优势来有效减小总体电路板尺寸，如图4所示。</span></p>

<p><strong><img alt="图4：简化的DRV3255-Q1电机驱动器方框图" data-entity-type="file" data-entity-uuid="18c98e2f-01c9-42eb-ad8d-dc3f024f45ce" src="http://new.eetrend.com/files/2021-03/wen_zhang_/100063195-126652-4.jpg&…; /></strong></p>

<p><strong>图4：简化的DRV3255-Q1电机驱动器方框图</strong></p>

<p><span>随着48V轻混电动车日益普遍，您是否考虑为下一辆汽车采用轻混电动车？</span></p>

<p><strong>其他资源</strong></p>

<ul>
<li><span>查看以下技术文章：</span>

<ul>
<li><a href="https://e2e.ti.com/blogs_/b/behind_the_wheel/archive/2020/10/22/5-myths…;《澄清有关48V系统的5种不实传言》</span></a><span>。</span></li>
<li><a href="https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2019/09/23/evolution-of-…;《48V起动机发电机系统的发展》</span></a><span>。</span></li>
</ul>
</li>
<li><span>阅读白皮书</span><a href="https://www.ti.com/cn/lit/wp/slpy009/slpy009.pdf"><span&gt;《在双电池汽车系统中桥接12V和48V电压》</span></a><span>。</span></li>
</ul>