【導(dǎo)讀】減少溫室氣體(GHG)排放的全球性舉措推動(dòng)了汽車的發(fā)展，要求汽車制造商提高新車動(dòng)力總成的電氣化水平。輕混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(MHEV)采用48V電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)幫助減少內(nèi)燃機(jī)(ICE) 的GHG排放，已成為實(shí)現(xiàn)合規(guī)性的極具吸引力的選擇，因?yàn)檫@種汽車的實(shí)現(xiàn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。本白皮書(shū)介紹如何使用DRV3255-Q1 48V BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在 MHEV 中實(shí)現(xiàn)汽車安全完整性等級(jí)D(ASIL D) 功能安全，同時(shí)提供高達(dá) 30kW 的電機(jī)功率和高集成度以幫助減小布板空間。
1 簡(jiǎn)介
減少溫室氣體(GHG)排放的全球性舉措推動(dòng)了汽車的發(fā)展，要求汽車制造商提高新車動(dòng)力總成的電氣化水平。輕混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(MHEV)采用48V電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)幫助減少內(nèi)燃機(jī)(ICE) 的GHG排放，已成為實(shí)現(xiàn)合規(guī)性的極具吸引力的選擇，因?yàn)檫@種汽車的實(shí)現(xiàn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。本白皮書(shū)介紹如何使用DRV3255-Q1 48V BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在 MHEV 中實(shí)現(xiàn)汽車安全完整性等級(jí)D(ASIL D) 功能安全，同時(shí)提供高達(dá) 30kW 的電機(jī)功率和高集成度以幫助減小布板空間。
2 MHEV 與 48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的使用
在美國(guó)、日本、中國(guó)以及歐盟等國(guó)家/地區(qū)，多項(xiàng)旨在減少溫室氣體 (GHG) 排放的全球性舉措推動(dòng)了汽車的發(fā)展。例如，美國(guó)運(yùn)輸部下屬的美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局于 2020 年 3 月發(fā)布了其最終環(huán)境影響聲明[1]，其中規(guī)定了2021 年至 2026 年的車輛燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。根據(jù)該聲明第 2.2.2.3 條的估計(jì)，到 2026 年，乘用車和卡車合并的公司平均燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)將達(dá)到 40.4mpg。歐盟也承諾根據(jù)《巴黎協(xié)定》(COP21) 于 2030 年前將 GHG 排放量減少 40%（與 1990 年相比）[2]。
汽車制造商有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)減少 GHG 排放的目標(biāo)。一種方法是制造采用 48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輕混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (MHEV)。由于內(nèi)燃機(jī) (ICE) 在燃燒過(guò)程中會(huì)排放 GHG，因此 MHEV 中的 ICE 會(huì)在車輛滑行時(shí)關(guān)閉，這有助于減少 ICE 的 GHG 排放。在這種情況下，48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)為 48V 電池充電，以便為車輛供電。MHEV對(duì)于汽車制造商而言是實(shí)現(xiàn) GHG 減排目標(biāo)的一種極具吸引力的選擇，因?yàn)檫@種汽車的實(shí)現(xiàn)成本遠(yuǎn)低于全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，并且具有設(shè)計(jì)靈活性。
MHEV 中的 48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，在不同位置固定到變速器系統(tǒng)。圖 2-1 展示了變速器系統(tǒng)上的連接點(diǎn)。
圖 2-1. 變速器系統(tǒng)上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接點(diǎn) (48V)
48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位于 P0 或 P1 時(shí)，可以用作起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)，因?yàn)樗B接到 ICE 并兼具起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功能。當(dāng)位于 P2、P3 或 P4 時(shí)，48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用作電動(dòng)發(fā)電機(jī)。
3 48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
影響成功設(shè)計(jì) 48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的因素有很多：大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)、安全性和小尺寸。大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)于幫助實(shí)現(xiàn) GHG 減排非常重要。由于 48V 電機(jī)在車輛滑行和制動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)電，用作起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)時(shí)，還會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)提供動(dòng)力輔助，因此，確保功能安全至關(guān)重要。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙有限的空間內(nèi)，48V 電機(jī)系統(tǒng)靠近 ICE 放置，有必要實(shí)現(xiàn)小尺寸。
對(duì)于汽車動(dòng)力總成應(yīng)用，典型的 48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要 10kW 至 30kW 的電功率。48V 和 12V 雙電源系統(tǒng)可以支持這種級(jí)別的大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)。大功率 48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有很多種不同的電源架構(gòu)。
圖 3-1 顯示了 48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的最常見(jiàn)架構(gòu)。把 48V 電池連接到電機(jī)，然后通過(guò)直流轉(zhuǎn)直流降壓器把 48V 向下轉(zhuǎn)為 12V 供應(yīng)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電源管理集成電路和微控制器。12V 電池和透過(guò)直流轉(zhuǎn)直流降壓器所產(chǎn)生的 12V 電源透過(guò)二機(jī)管接起來(lái)，以確保能提供電機(jī)控制所需要的 12V 電源。48V 電源的電壓應(yīng)遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)21780 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)（如圖 3-2 所示）。
圖 3-1. 大功率 48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的常見(jiàn)電源架構(gòu)
圖 3-2. ISO 21780 規(guī)定的 48V 電壓電平
4 大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)的注意事項(xiàng)
如圖 3-1 所示，48V 大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)外部金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。為了支持 10kW 至 30kW 的功率，這些外部 MOSFET 需要支持 200A 至 600A 以上的電流。盡可能減小MOSFET 的 RDS(on) 有助于減小熱耗散和導(dǎo)通損耗；在某些情況下，宜在每個(gè)通道中并聯(lián)多個(gè) MOSFET，因?yàn)檫@樣有助于每個(gè) MOSFET 的散熱。因此，MOSFET 的總柵極電荷很大，在 300nC 至 700nC 之間。在功率達(dá)30kW 等極端情況下，MOSFET 的總柵極電荷可能高達(dá) 1,000nC。
必須優(yōu)化由開(kāi)關(guān)損耗引起的熱耗散，并確保整個(gè)解決方案符合電磁兼容性 (EMC) 規(guī)范，這一點(diǎn)很重要。MOSFETVDS 的上升和下降時(shí)間決定了開(kāi)關(guān)損耗。更短的上升和下降時(shí)間可以減少開(kāi)關(guān)損耗，但會(huì)影響 EMC 性能。圖 4-1顯示了 MOSFET 的柵極電荷與 MOSFET 開(kāi)關(guān)期間下降時(shí)間之間的關(guān)系。
圖 4-1. VDS 下降時(shí)間與柵極電荷間的關(guān)系
如圖 3-2 所示，48V 電池可能會(huì)超過(guò)標(biāo)稱電壓，其瞬態(tài)過(guò)沖可能高于 60V 限值。相反，由于 MOSFET 寄生二極管的反向恢復(fù)時(shí)間將導(dǎo)致反應(yīng)緩慢，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的相連接引腳必須能夠承受負(fù)瞬態(tài)電壓。選擇一個(gè)能夠在高于 48V 的電壓下保持正常運(yùn)行并仍然能夠承受負(fù)電壓的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是很難的。
集成的 DRV3255-Q1 48V BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器旨在驅(qū)動(dòng)高柵極電荷 MOSFET：柵極驅(qū)動(dòng)器輸出的峰值拉電流為3.5A，柵極驅(qū)動(dòng)器輸出的峰值灌電流為 4.5A。憑借如此高的電流驅(qū)動(dòng)能力，即使在柵極電荷為 1,000nC 的情況下，也可以縮短 MOSFET VDS 的上升和下降時(shí)間。另外，DRV3255-Q1 能夠選擇柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電流電平。此器件可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過(guò)可調(diào)的電流電平來(lái)微調(diào)上升和下降時(shí)間，以便在開(kāi)關(guān)損耗（進(jìn)而影響熱耗散）和EMC 性能之間進(jìn)行優(yōu)化。
DRV3255-Q1高側(cè)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器自舉引腳的最大工作電壓為105V。同時(shí)，再結(jié)合90V的連續(xù)工作最大電機(jī)電源引腳電壓，DRV3255-Q1可以在旋轉(zhuǎn) 48V 電機(jī)時(shí)實(shí)現(xiàn)真正的 90V 運(yùn)行。自舉引腳、高側(cè) MOSFET 源極感應(yīng)引腳和低側(cè) MOSFET 源極感應(yīng)引腳的負(fù)瞬態(tài)電壓額定值為 –15V。
5 48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全性和尺寸注意事項(xiàng)
采用安全的大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要有保護(hù)機(jī)制，因?yàn)榱鹘?jīng)電機(jī)的額定電流可能超過(guò) 200A。48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一是電機(jī)可能產(chǎn)生不必要的功率，從而出現(xiàn)可能導(dǎo)致系統(tǒng)損壞的過(guò)壓條件。系統(tǒng)應(yīng)具有功能 MOSFET的控制機(jī)制（確保正確導(dǎo)通或關(guān)斷），以便保護(hù)系統(tǒng)免受過(guò)壓條件造成的進(jìn)一步損害。此類保護(hù)通常需要外部安全邏輯和比較器。
DRV3255-Q1 集成了主動(dòng)短路邏輯，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠確定對(duì) MOSFET 短路的響應(yīng)。該器件可以配置為啟用所有高側(cè) MOSFET 或所有低側(cè) MOSFET 或者動(dòng)態(tài)啟用所有低側(cè)或高側(cè) MOSFET，而不是通過(guò)禁用所有MOSFET 來(lái)響應(yīng)故障情況。主動(dòng)短路輸入的器件響應(yīng)延遲時(shí)間可通過(guò)串行外設(shè)接口 (SPI) 寄存器進(jìn)行編程和配置。此外，DRV3255-Q1 提供完整的診斷覆蓋范圍，并按照 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，有助于實(shí)現(xiàn)最高可達(dá)汽車安全完整性等級(jí) D (ASIL D) 的功能安全電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
圖 5-1 展示了 48V 大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的典型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方框圖。要實(shí)現(xiàn)安全可靠的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需要使用鉗位二極管、外部驅(qū)動(dòng)電路、匯路電阻器和二極管、比較器以及外部安全邏輯。DRV3255-Q1 集成了外部邏輯和比較器，在自舉引腳上支持高達(dá) 105V 的電壓，可處理低至 –15V 的負(fù)瞬態(tài)電壓，并提供可選的大電流柵極驅(qū)動(dòng)器電流輸出。如圖 5-2 所示，采用 DRV3255-Q1 來(lái)設(shè)計(jì) 48V 大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能移除虛線框的器件。這種方法可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并減少電路板上的元件數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)適合于發(fā)動(dòng)機(jī)艙有限空間的緊湊設(shè)計(jì)。
圖 5-1. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方框圖
圖 5-2. 簡(jiǎn)化的 DRV3255-Q1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方框圖
6 結(jié)語(yǔ)
48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)旨在減少 MHEV 的 GHG 排放。作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，他們需要設(shè)計(jì)尺寸小且功能安全的大功率（10kW 至 30kW）48V 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。DRV3255-Q1 具有可選的高柵極驅(qū)動(dòng)電流、高壓瞬態(tài)支持、主動(dòng)短路邏輯和功能安全合規(guī)性，有助于設(shè)計(jì)大功率、功能安全的小型 48V MHEV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
7 參考文獻(xiàn)
1. “Final Environmental Impact Statement – The Safer Affordable Fuel-Efficient (SAFE) Vehicles Rule for Model Years 2021-2026 Passenger Cars and Light Trucks,” National Highway Traffic Safety Administration,U.S. Department of Transportation, March 2020 (docket no. NHTSA-2017-0069).
2. “Worldwide Emission Standards and Related Regulations – Passenger Cars/Light and Medium duty Vehicles”, CPT Group GmbH, May 2019.
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