如何優(yōu)化48V輕混電動車(MHEV)的電機驅(qū)動器設計

ainet.cn 2021年03月05日

　　制造商制造輕混電動車(MHEV)的最終目標是減少溫室氣體(GHG)排放。輕混電動車包含一個連接到車輛變速器系統(tǒng)的48V電機驅(qū)動系統(tǒng)。為了減少溫室氣體排放，輕混電動車中的內(nèi)燃機(ICE)會在車輛滑行時關(guān)閉，同時該48V電機系統(tǒng)會為48V電池充電，以便為車輛供電。在本文中，我將討論48V電機驅(qū)動器的一種設計方法，該設計可提供大功率的電機驅(qū)動，實現(xiàn)功能安全并且尺寸更加小巧。

大功率電機驅(qū)動的注意事項

　　對于汽車動力總成應用，典型的48V電機驅(qū)動系統(tǒng)需要10kW至30kW的電功率。傳統(tǒng)的12V電池系統(tǒng)無法滿足該功率水平，因此必須采用48V架構(gòu)來支持大功率電機驅(qū)動。

　　如圖1所示，48V電機驅(qū)動器控制外部金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，以使電機旋轉(zhuǎn)。這些外部MOSFET必須支持600A以上的電流才能實現(xiàn)30kW的功率目標。有效減小MOSFET的RDS(on)可減小熱耗散和導通損耗，在某些情況下，每個通道中并聯(lián)多個MOSFET將有助于分散熱量，如應用手冊《使用DRV3255-Q1驅(qū)動并聯(lián)MOSFET》中所述。MOSFET的總柵極電荷可能高達1,000nC。

　　設計人員還需要優(yōu)化由開關(guān)損耗引起的功率耗散，以使整個解決方案符合汽車電磁兼容性(EMC)規(guī)范。高柵極電流柵極驅(qū)動器(如DRV3255-Q1)可以驅(qū)動高柵極電荷MOSFET，其峰值源電流高達3.5A，峰值吸電流高達4.5A。即使在柵極電荷為1,000nC的情況下，如此高的輸出電流也可以實現(xiàn)很短的上升和下降時間?？蛇x的柵極驅(qū)動器輸出電流水平使您可以微調(diào)上升和下降時間，從而在開關(guān)損耗和電磁兼容性(EMC)之間進行優(yōu)化。

圖1：大功率48V電機驅(qū)動器的最常見電源架構(gòu)

　　即使電池的標稱電壓為48V，電源電壓也可能因運行期間的瞬態(tài)情況而發(fā)生很大的變化;請參閱圖2中國際標準化組織 (ISO) 21780 規(guī)定的電壓水平。此外，考慮到MOSFET寄生體二極管的反向恢復時間，電機驅(qū)動器引腳需要能夠承受負瞬態(tài)電壓。

圖2：ISO 21780規(guī)定的48V系統(tǒng)的電壓水平

　　憑借能夠承受105V電壓的高側(cè)自舉引腳，DRV3255-Q1能夠在90V的電壓下支持真正的連續(xù)工作，并支持高達95V的瞬態(tài)電壓。自舉的高側(cè)MOSFET源極和低側(cè)MOSFET源極的額定瞬態(tài)電壓為–15V，從而提供大功率電機驅(qū)動器系統(tǒng)所需的強大保護。

48V電機驅(qū)動器的功能安全注意事項

　　48V電機驅(qū)動系統(tǒng)存在產(chǎn)生不必要功耗的風險，這可能會導致出現(xiàn)過壓情況，從而損壞系統(tǒng)。正常的系統(tǒng)響應是使所有高側(cè)或低側(cè)MOSFET導通，使電機電流再循環(huán)，避免產(chǎn)生更多電流。如果出現(xiàn)故障，系統(tǒng)必須具有適當?shù)厍袚Q功能性MOSFET的機制，以避免進一步損壞。實施此類保護通常需要外部邏輯和比較器。

　　利用集成在DRV3255-Q1中的主動短路邏輯，您可以決定在檢測到故障情況時應如何響應?？梢詫⒃撨壿嬇渲脼閱⒂盟懈邆?cè)MOSFET、啟用所有低側(cè)MOSFET或在低側(cè)和高側(cè)MOSFET之間動態(tài)切換(具體取決于故障情況)，而不是通過禁用所有MOSFET來響應故障情況。此外，DRV3255-Q1符合ISO 26262規(guī)定的功能安全標準，并包含診斷和保護功能，可支持ASIL D級的功能安全電機驅(qū)動器系統(tǒng)。

48V電機驅(qū)動器的尺寸注意事項

　　發(fā)動機艙中的空間有限，因此要求48V電機驅(qū)動器系統(tǒng)的電路板具有較小的尺寸。圖3展示了傳統(tǒng)48V大功率電機驅(qū)動器設計的典型電機驅(qū)動器方框圖。要實現(xiàn)具有強大保護功能的安全電機驅(qū)動器系統(tǒng)，需要使用鉗位二極管、外部驅(qū)動電路、匯路電阻器和二極管、比較器以及外部安全邏輯。這些外部器件會導致布板空間增大并使系統(tǒng)成本升高。