【導讀】皮帶驅動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電機 (BSG) 是混合動(dòng)力汽車(chē) (HEV) 和電動(dòng)汽車(chē) (EV) 系統不可或缺的一部分，因為它有助于減少內燃機產(chǎn)生的碳排放。啟動(dòng)發(fā)電機系統在電動(dòng)汽車(chē)架構中扮演著(zhù)多重角色。它們負責啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機，為發(fā)動(dòng)機提供額外的電力，并在減速或滑行期間產(chǎn)生充電電壓，從而減少機械制動(dòng)系統的磨損，同時(shí)提高整體系統效率。
皮帶驅動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電機 (BSG) 是混合動(dòng)力汽車(chē) (HEV) 和電動(dòng)汽車(chē) (EV) 系統不可或缺的一部分，因為它有助于減少內燃機產(chǎn)生的碳排放。啟動(dòng)發(fā)電機系統在電動(dòng)汽車(chē)架構中扮演著(zhù)多重角色。它們負責啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機，為發(fā)動(dòng)機提供額外的電力，并在減速或滑行期間產(chǎn)生充電電壓，從而減少機械制動(dòng)系統的磨損，同時(shí)提高整體系統效率。
無(wú)論架構或位置如何，啟動(dòng)發(fā)電機系統已被證明是車(chē)輛電氣化的重要組成部分。啟動(dòng)發(fā)電機可用于車(chē)輛內的多個(gè)位置。圖 1 顯示了主要啟動(dòng)發(fā)電機系統的位置。P0 和 P1 位置通常小于 20 kW。P0 系統正變得非常普遍，因為它們更容易實(shí)施，需要的重新設計更少，而且成本效益高。P1 位置具有類(lèi)似的優(yōu)勢，同時(shí)消除了皮帶損耗，從而提高了性能并減少了磨損。
圖1
啟動(dòng)發(fā)電機電路的實(shí)現
啟動(dòng)發(fā)電機系統由多個(gè)電氣和機械組件組成。逆變器提供電力驅動(dòng)，DC-DC 轉換器則在能量收集模式下將轉子中的機械能轉換為電能。該系統還負責怠速停止系統中的曲軸位置以及冷啟動(dòng)所需的高啟動(dòng)扭矩。從機械角度來(lái)看，啟動(dòng)發(fā)電機包括定子（連接到三相逆變器）和轉子（通過(guò)滑環(huán)和電刷使直流電通過(guò)轉子繞組來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)）。使用永磁電機的新設計可以消除對勵磁線(xiàn)圈的需求，但這種方法帶來(lái)了其他安全挑戰，因為在故障情況下無(wú)法關(guān)閉磁化。圖 2 顯示了五相電機的典型電路實(shí)現。
圖2
12V 和 48V 系統的通用電流、驅動(dòng)和位置傳感器解決方案
BSG系統用于 12V 和 48V 電源軌。12V BSG 系統無(wú)法提供與 48V 啟動(dòng)發(fā)電機相同的功率優(yōu)勢。通常，12V 系統的功率限制在 < 10 kW，而 48V 系統可以產(chǎn)生高達 25 kW 或更高的功率。隨著(zhù)功率的增加，對柵極驅動(dòng)器以及電流傳感器的需求也隨之增加。對于 P0/P1 位置，使用適用于 12V 和 48V 電池的通用架構是有利的，只需要很少的額外組件或重新設計。使用通用架構可以減少設計時(shí)間和物料清單 (BOM) 成本，并為 12V 和 48V 系統中的螺栓固定式 BSG 系統提供單一平臺。
AMT49502 半橋柵極驅動(dòng)器的工作電壓范圍為 5.5 V 至 80 V，使其成為在 12V 或 48V 電源軌上運行的 BSG 應用的多功能平臺。該器件的電荷泵穩壓器為兩個(gè) N 溝道 MOSFET 提供柵極驅動(dòng)。圖 3 顯示了半橋設計的系統框圖。只需要單個(gè)電源，所有內部邏輯均由電荷泵穩壓器供電的片上邏輯電源穩壓器創(chuàng )建。該穩壓器負責向浮動(dòng)自舉電容提供穩壓的 11 V 電壓，從而確保高側 MOSFET 在電池電壓為 5.5 V 時(shí)柵極上有 11 V 電壓。電荷泵穩壓器還為內部邏輯供電，從而降低了芯片的整體功耗。最大限度地降低功耗是在 48V 下運行而無(wú)需降壓穩壓的關(guān)鍵。此外，一個(gè)小型集成電荷泵負責以 100% 的占空比保持高側開(kāi)關(guān)導通。
Allegro 還提供各種電流檢測選項，它們都具有類(lèi)似的模擬接口，可以反饋給微處理器，從而通過(guò)冗余實(shí)現全磁場(chǎng)定向控制 (FOC)。對于低功率系統，AMT49502 具有一個(gè)集成的高性能電流檢測放大器，可測量通過(guò)低側電流分流器的電流。隨著(zhù)功率的增加，基于霍爾效應的電流傳感器提供的功耗比必要的并聯(lián)電阻器低得多，尺寸也更小。它們的電流隔離也意味著(zhù)它們可以放置在高側、低側或同相，從而在系統級別為控制和短路檢測提供靈活性。對于轉子線(xiàn)圈中常見(jiàn)的電流，Allegro 的集成導體 ACS71240 提供了一種精確、高效且小巧的解決方案。對于電機相中看到的更高電流，常見(jiàn)的解決方案是 C 型磁性的 ACS70310/1 或無(wú)磁芯 ACS37612/10 解決方案。所有這些解決方案都提供了冗余方法以及內置診斷功能。ACS71240 和 ACS37610 都提供內置過(guò)流檢測，而 ACS37610 提供過(guò)溫檢測。AMT49502 中的每個(gè) MOSFET 都可以使用邏輯輸入以及輔助 ENABLE 輸入獨立控制，該輸入提供了一條獨立的路徑來(lái)禁用橋接器或激活睡眠模式。還可以使用串行外設接口 (SPI) 端口讀出診斷信息并設置功能參數。
為了進(jìn)一步支持啟動(dòng)發(fā)電機設計，Allegro 提供了完整系列的磁角度傳感器，適用于各種電機位置檢測應用。高分辨率 A1333 和 AAS33001 角度傳感器提供旋轉電機位置信息，可用作正弦換向電機控制方案的一部分。這種電機控制方案為啟動(dòng)發(fā)電機帶來(lái)了高效率和改進(jìn)的扭矩性能。此外，Allegro 還可以通過(guò)全套磁性霍爾傳感器產(chǎn)品組合支持傳統的塊換向電機控制方法。
總的來(lái)說(shuō)，使用 AMT49502、Allegro 電流傳感器 IC 和電機位置傳感器設計的 BSG 可用于 12V 和 48V 系統，并且可以輕松擴展功率。
圖3
專(zhuān)為嚴苛環(huán)境而設計
啟動(dòng)發(fā)電機系統會(huì )在逆變器橋上產(chǎn)生高電壓。在發(fā)電機模式下，逆變器的作用是將三相電流轉換為直流電壓和電流，并將其作為充電施加到 12V 或 48V 電池系統。最終，電機產(chǎn)生的電壓取決于轉速。對于逆變器橋來(lái)說(shuō)，在高速旋轉期間以及從驅動(dòng)模式到發(fā)電機模式的轉換期間承受電壓瞬變非常重要。柵極驅動(dòng)器必須足夠堅固，才能處理系統中存在的高電流和電壓瞬變。通過(guò)將柵極驅動(dòng)器設計為能夠承受這些瞬變，開(kāi)發(fā)人員可以節省寶貴的設計時(shí)間，并盡最大限度地減少添加高壓鉗位電路以保護系統的額外成本。當高側 MOSFET 在發(fā)電機模式下關(guān)閉時(shí)，橋上的電壓瞬變會(huì )在低側驅動(dòng)器上產(chǎn)生超過(guò) 5 V 的負電壓，在相位節點(diǎn)上產(chǎn)生超過(guò) 10 V 的負電壓。
如圖 4 所示，AMT49502 柵極驅動(dòng)器可以承受低側柵極上的 –8 V 電壓和相對于相位節點(diǎn)的高側驅動(dòng)器上的 –18 V 電壓。強大的瞬態(tài)性能和智能控制算法的結合可以確保即使是高功率系統也不會(huì )損壞逆變器。EV 組件必須足夠堅固，才能處理負電壓瞬變并通過(guò)主機廠(chǎng)的電磁輻射要求。啟動(dòng)發(fā)電機逆變器需要快速切換以保持效率，同時(shí)盡可能地減少排放。它們還必須限制電磁輻射的幅度，以滿(mǎn)足 主機廠(chǎng)的嚴格要求。
為了兼顧高效率和低電磁輻射，AMT49502 驅動(dòng)器采用分段可編程電流柵極驅動(dòng)拓撲結構，允許控制系統中所有 MOSFET 的開(kāi)啟和關(guān)閉。MOSFET 從關(guān)斷到開(kāi)啟以及從開(kāi)啟到關(guān)斷的轉換均受控制，如圖 5 中的詳細信息所示。所有參數均通過(guò) SPI 端口進(jìn)行編程
圖4
當命令柵極驅動(dòng)器開(kāi)啟時(shí)，電流 I1 會(huì )在高側或低側柵極端子上持續 t1 的時(shí)間。通常應設置這些參數以快速將 MOSFET 輸入電容充電至米勒區域的起始點(diǎn)，因為在此期間漏源電壓不會(huì )改變。此后，GH 或 GL 上的電流源設置為值 I2，并在 MOSFET 轉換通過(guò)米勒區域并達到完全導通狀態(tài)時(shí)保持該值。
圖5
MOSFET 從開(kāi)啟到關(guān)斷的轉換如圖 5 所示。當命令柵極驅動(dòng)器關(guān)閉時(shí)，電流 I1 會(huì )在高側或低側柵極端子上持續 t1 的時(shí)間被吸收。通常應設置這些參數以快速將 MOSFET 輸入電容放電至米勒區域的起始點(diǎn)，因為在此期間漏源電壓不會(huì )改變。此后，高側或低側柵極端子吸收的電流設置為值 I2，并在 MOSFET 轉換通過(guò)米勒區域并達到完全關(guān)斷狀態(tài)時(shí)保持該值。
完全控制 MOSFET 開(kāi)關(guān)可提高效率并降低 EMI。減少 MOSFET 達到其 Vt 所需的死區時(shí)間和時(shí)間可通過(guò)非常大限度地減少高側和低側 MOSFET 開(kāi)關(guān)的時(shí)間來(lái)提高逆變器性能，并提高正弦電流的保真度。米勒區域期間的可編程電流控制 MOSFET 的壓擺率，從而在保持高效開(kāi)關(guān)時(shí)間的同時(shí)限制輻射。
Allegro AMT49100 三相柵極驅動(dòng)器具有 ASIL D 認證，可用于純 48V 系統。使用板載三相驅動(dòng)器可縮小封裝內容，從而實(shí)現更小的系統設計。AMT49100 提供額外的診斷功能，并且能夠使用內置測試電路驗證每個(gè)診斷。對于單驅動(dòng)器設計，此額外的診斷和驗證功能提供了一定程度的功能安全性，可以將各種故障通知發(fā)動(dòng)機控制單元 (ECU)。
某些 48V 設計可能會(huì )受益于超小型柵極驅動(dòng)器。例如，3 mm × 3 mm DFN 封裝中的 10 至 100 V A89500 半橋柵極驅動(dòng)器非常小，可以減少整體印刷電路板 (PCB) 空間。該器件可用于勵磁線(xiàn)圈驅動(dòng)器以及經(jīng)過(guò)適當安全分析的逆變器。該驅動(dòng)器直接由 8 至 13 V 柵極電源供電，場(chǎng)效應晶體管 (FET) 橋直接連接到 48V 電池。有關(guān)詳細信息，請參見(jiàn)圖 6。
圖6
安全設計
啟動(dòng)發(fā)電機故障會(huì )導致鋰離子電池組過(guò)度充電，如果電池短路，這可能會(huì )很危險。因此，啟動(dòng)發(fā)電機電路必須符合 ISO 26262 標準，通常需要“B”級認證。例如，當發(fā)電機仍在高速旋轉時(shí)，逆變器橋中的故障會(huì )導致過(guò)充電情況。在五相系統中，一種解決方案是通過(guò)禁用勵磁線(xiàn)圈驅動(dòng)器來(lái)有效消除轉子上的磁場(chǎng)。在此實(shí)現中，設計對于開(kāi)發(fā)故障安全系統至關(guān)重要。如果系統中的柵極驅動(dòng)器是為安全而設計的，則可以更容易地滿(mǎn)足要求。例如，AMT49502 是在 ISO 26262 認證的開(kāi)發(fā)流程上設計的，并且該器件已通過(guò) ASIL B 認證。
每個(gè)半橋驅動(dòng)器都具有一套先進(jìn)的診斷功能，包含近 20 項診斷功能，包括負載突降檢測、MOSFET 短路保護、柵極驅動(dòng)欠壓、橋接電源過(guò)壓、溫度警告和其他情況。IC 診斷功能為系統控制器提供必要的監控操作信息，并就系統為確保故障安全操作而采取的措施做出決策。圖 7 顯示了 AMT49502 柵極驅動(dòng)器支持的診斷功能。
同樣，Allegro 提供的霍爾效應電流檢測和電機位置解決方案在設計時(shí)也考慮到了安全性。在電流傳感器產(chǎn)品組合中，ACS71240、ACS70310/1 和 ACS37612/10 均為 QM，提供安全相關(guān)文檔，并用于系統級額定值高達 ASIL D 的應用。在角度傳感器產(chǎn)品組合中，A1333 和 AAS33001 可以作為上下文外的安全元件，單芯片和雙芯片產(chǎn)品分別具有 ASIL B 或 D 額定值。
圖7
結論
由于易于實(shí)施、與現有交流發(fā)電機系統類(lèi)似的尺寸以及無(wú)需對動(dòng)力系統進(jìn)行重大修改（在 P2 – P4 位置），BSG 系統在 HEV 電機控制設計中變得越來(lái)越普遍。隨著(zhù)啟動(dòng)發(fā)電機系統的不斷發(fā)展，進(jìn)一步的集成可能會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移影響 BSG 的作用。展望未來(lái)，48V 系統可能會(huì )在 P3 – P4 位置占據主導地位。
隨著(zhù)電氣革命繼續改變汽車(chē)行業(yè)，電氣化將繼續獲得市場(chǎng)份額。使用適用于 12V 和 48V 系統的通用平臺將簡(jiǎn)化向 48V 解決方案的過(guò)渡。啟動(dòng)發(fā)電機系統還將受益于行業(yè)領(lǐng)先的安全診斷、獨立橋接控制提供的冗余、電流檢測以及具有強大瞬態(tài)性能的電機位置傳感器。
從 12V 到 48V 的轉變是汽車(chē)行業(yè)的大勢所趨。48V 系統憑借其諸多優(yōu)勢，將成為下一代高效、強勁且環(huán)保的汽車(chē)關(guān)鍵推動(dòng)力。
*本文內容改編自 Dan Jacques 發(fā)表在《電力系統設計》的文章《12V 和 48V 系統的通用驅動(dòng)平臺》。
（來(lái)源：Allegro Microsystems）
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