Other Parts Discussed in Post: DRV3255-Q1
作者：Issac Hsu
制造商制造輕混電動車(MHEV)的最終目標(biāo)是減少溫室氣體(GHG)排放。輕混電動車包含一個(gè)連接到車輛變速器系統(tǒng)的48V電機(jī)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(jī)(ICE)會在車輛滑行時(shí)關(guān)閉，同時(shí)該48V電機(jī)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(jī)驅(qū)動器的一種設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)可提供大功率的電機(jī)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)功能安全并且尺寸更加小巧。
大功率電機(jī)驅(qū)動的注意事項(xiàng)
對于汽車動力總成應(yīng)用，典型的48V電機(jī)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(jī)驅(qū)動。
閱讀白皮書《如何構(gòu)建功能安全的小型48V、30kW輕混電動車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)》，詳細(xì)了解如何解決電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動電路中的重大設(shè)計(jì)難題。
如圖1所示，48V電機(jī)驅(qū)動器控制外部金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，以使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。這些外部MOSFET必須支持600A以上的電流才能實(shí)現(xiàn)30kW的功率目標(biāo)。有效減小MOSFET的RDS(on)可減小熱耗散和導(dǎo)通損耗，在某些情況下，每個(gè)通道中并聯(lián)多個(gè)MOSFET將有助于分散熱量，如應(yīng)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(dá)1,000nC。
設(shè)計(jì)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(gè)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(dá)3.5A，峰值吸電流高達(dá)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(shí)現(xiàn)很短的上升和下降時(shí)間。可選的柵極驅(qū)動器輸出電流水平使您可以微調(diào)上升和下降時(shí)間，從而在開關(guān)損耗和電磁兼容性(EMC)之間進(jìn)行優(yōu)化。
圖1：大功率48V電機(jī)驅(qū)動器的最常見電源架構(gòu)
即使電池的標(biāo)稱電壓為48V，電源電壓也可能因運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)時(shí)間，電機(jī)驅(qū)動器引腳需要能夠承受負(fù)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(dá)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(jī)驅(qū)動器系統(tǒng)所需的強(qiáng)大保護(hù)。
48V電機(jī)驅(qū)動器的功能安全注意事項(xiàng)
48V電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)存在產(chǎn)生不必要功耗的風(fēng)險(xiǎn)，這可能會導(dǎo)致出現(xiàn)過壓情況，從而損壞系統(tǒng)。正常的系統(tǒng)響應(yīng)是使所有高側(cè)或低側(cè)MOSFET導(dǎo)通，使電機(jī)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(dāng)?shù)厍袚Q功能性MOSFET的機(jī)制，以避免進(jìn)一步損壞。實(shí)施此類保護(hù)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(shí)應(yīng)如何響應(yīng)。可以將該邏輯配置為啟用所有高側(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(yīng)故障情況。此外，DRV3255-Q1符合ISO 26262規(guī)定的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，并包含診斷和保護(hù)功能，可支持ASIL D級的功能安全電機(jī)驅(qū)動器系統(tǒng)。
48V電機(jī)驅(qū)動器的尺寸注意事項(xiàng)
發(fā)動機(jī)艙中的空間有限，因此要求48V電機(jī)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(jī)驅(qū)動器設(shè)計(jì)的典型電機(jī)驅(qū)動器方框圖。要實(shí)現(xiàn)具有強(qiáng)大保護(hù)功能的安全電機(jī)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(dǎo)致布板空間增大并使系統(tǒng)成本升高。
圖3：典型的48V大功率電機(jī)驅(qū)動器方框圖
在采用DRV3255-Q1后，通過集成外部邏輯和比較器、可調(diào)節(jié)高電流柵極驅(qū)動器以及對大電壓瞬態(tài)的支持（無需額外的外部器件），可以提供顯著的優(yōu)勢來有效減小總體電路板尺寸，如圖4所示。
圖4：簡化的DRV3255-Q1電機(jī)驅(qū)動器方框圖
隨著48V輕混電動車日益普遍，您是否考慮為下一輛汽車采用輕混電動車？
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