如何優(yōu)化48V輕混電動車(MHEV)的電機驅(qū)動器設(shè)計
發(fā)布時間:2021-03-02 來源:Issac Hsu 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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(shè)計方法,該設(shè)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(yīng)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。
閱讀白皮書《如何構(gòu)建功能安全的小型48V、30kW輕混電動車電機驅(qū)動系統(tǒng)》,詳細(xì)了解如何解決電機驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動電路中的重大設(shè)計難題。
如圖1所示,48V電機驅(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(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,每個通道中并聯(lián)多個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(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(jìn)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(biāo)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(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)時間,電機驅(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(fēng)險,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的機制,以避免進(jìn)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(yīng)如何響應(yīng)??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(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(shè)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(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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