【導讀】減少溫室氣體(GHG)排放的全球性舉措推動(dòng)了汽車(chē)的發(fā)展，要求汽車(chē)制造商提高新車(chē)動(dòng)力總成的電氣化水平。輕混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(MHEV)采用48V電機驅動(dòng)系統來(lái)幫助減少內燃機(ICE) 的GHG排放，已成為實(shí)現合規性的極具吸引力的選擇，因為這種汽車(chē)的實(shí)現成本遠遠低于全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。本白皮書(shū)介紹如何使用DRV3255-Q1 48V BLDC電機驅動(dòng)器在 MHEV 中實(shí)現汽車(chē)安全完整性等級D(ASIL D) 功能安全，同時(shí)提供高達 30kW 的電機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(chē)的發(fā)展，要求汽車(chē)制造商提高新車(chē)動(dòng)力總成的電氣化水平。輕混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(MHEV)采用48V電機驅動(dòng)系統來(lái)幫助減少內燃機(ICE) 的GHG排放，已成為實(shí)現合規性的極具吸引力的選擇，因為這種汽車(chē)的實(shí)現成本遠遠低于全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。本白皮書(shū)介紹如何使用DRV3255-Q1 48V BLDC電機驅動(dòng)器在 MHEV 中實(shí)現汽車(chē)安全完整性等級D(ASIL D) 功能安全，同時(shí)提供高達 30kW 的電機功率和高集成度以幫助減小布板空間。
2 MHEV 與 48V 電機驅動(dòng)系統的使用
在美國、日本、中國以及歐盟等國家/地區，多項旨在減少溫室氣體 (GHG) 排放的全球性舉措推動(dòng)了汽車(chē)的發(fā)展。例如，美國運輸部下屬的美國國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]，其中規定了2021 年至 2026 年的車(chē)輛燃油經(jīng)濟性指標。根據該聲明第 2.2.2.3 條的估計，到 2026 年，乘用車(chē)和卡車(chē)合并的公司平均燃油經(jīng)濟性指標將達到 40.4mpg。歐盟也承諾根據《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(chē)制造商有幾種方法可以實(shí)現減少 GHG 排放的目標。一種方法是制造采用 48V 電機驅動(dòng)系統的輕混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) (MHEV)。由于內燃機 (ICE) 在燃燒過(guò)程中會(huì )排放 GHG，因此 MHEV 中的 ICE 會(huì )在車(chē)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 電機驅動(dòng)系統會(huì )為 48V 電池充電，以便為車(chē)輛供電。MHEV對于汽車(chē)制造商而言是實(shí)現 GHG 減排目標的一種極具吸引力的選擇，因為這種汽車(chē)的實(shí)現成本遠低于全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，并且具有設計靈活性。
MHEV 中的 48V 電機驅動(dòng)系統可以根據設計目標，在不同位置固定到變速器系統。圖 2-1 展示了變速器系統上的連接點(diǎn)。
圖 2-1. 變速器系統上的電機驅動(dòng)系統連接點(diǎn) (48V)
48V 電機驅動(dòng)系統位于 P0 或 P1 時(shí)，可以用作起動(dòng)機發(fā)電機，因為它連接到 ICE 并兼具起動(dòng)機和發(fā)電機的功能。當位于 P2、P3 或 P4 時(shí)，48V 電機驅動(dòng)系統用作電動(dòng)發(fā)電機。
3 48V 電機驅動(dòng)系統的設計挑戰
影響成功設計 48V 電機驅動(dòng)系統的因素有很多：大功率電機驅動(dòng)、安全性和小尺寸。大功率電機驅動(dòng)對于幫助實(shí)現 GHG 減排非常重要。由于 48V 電機在車(chē)輛滑行和制動(dòng)過(guò)程中會(huì )發(fā)電，用作起動(dòng)機發(fā)電機時(shí)，還會(huì )在發(fā)動(dòng)機啟動(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)機艙有限的空間內，48V 電機系統靠近 ICE 放置，有必要實(shí)現小尺寸。
對于汽車(chē)動(dòng)力總成應用，典型的 48V 電機驅動(dòng)系統需要 10kW 至 30kW 的電功率。48V 和 12V 雙電源系統可以支持這種級別的大功率電機驅動(dòng)。大功率 48V 電機驅動(dòng)器有很多種不同的電源架構。
圖 3-1 顯示了 48V 電機驅動(dòng)器的最常見(jiàn)架構。把 48V 電池連接到電機，然后通過(guò)直流轉直流降壓器把 48V 向下轉為 12V 供應給電機驅動(dòng)器，電源管理集成電路和微控制器。12V 電池和透過(guò)直流轉直流降壓器所產(chǎn)生的 12V 電源透過(guò)二機管接起來(lái)，以確保能提供電機控制所需要的 12V 電源。48V 電源的電壓應遵循國際標準化組織 (ISO)21780 規定的標準（如圖 3-2 所示）。
圖 3-1. 大功率 48V 電機驅動(dòng)器的常見(jiàn)電源架構
圖 3-2. ISO 21780 規定的 48V 電壓電平
4 大功率電機驅動(dòng)的注意事項
如圖 3-1 所示，48V 大功率電機驅動(dòng)器可以驅動(dòng)外部金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET)，從而使電機旋轉。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，因為這樣有助于每個(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30kW 等極端情況下，MOSFET 的總柵極電荷可能高達 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)標稱(chēng)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時(shí)間將導致反應緩慢，因此電機驅動(dòng)器的相連接引腳必須能夠承受負瞬態(tài)電壓。選擇一個(gè)能夠在高于 48V 的電壓下保持正常運行并仍然能夠承受負電壓的電機驅動(dòng)器是很難的。
集成的 DRV3255-Q1 48V BLDC 電機驅動(dòng)器旨在驅動(dòng)高柵極電荷 MOSFET：柵極驅動(dòng)器輸出的峰值拉電流為3.5A，柵極驅動(dòng)器輸出的峰值灌電流為 4.5A。憑借如此高的電流驅動(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 能夠選擇柵極驅動(dòng)器輸出電流電平。此器件可幫助系統設計人員通過(guò)可調的電流電平來(lái)微調上升和下降時(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MOSFET柵極驅動(dòng)器自舉引腳的最大工作電壓為105V。同時(shí)，再結合90V的連續工作最大電機電源引腳電壓，DRV3255-Q1可以在旋轉 48V 電機時(shí)實(shí)現真正的 90V 運行。自舉引腳、高側 MOSFET 源極感應引腳和低側 MOSFET 源極感應引腳的負瞬態(tài)電壓額定值為 –15V。
5 48V 電機驅動(dòng)系統的安全性和尺寸注意事項
采用安全的大功率電機驅動(dòng)器時(shí)需要有保護機制，因為流經(jīng)電機的額定電流可能超過(guò) 200A。48V 電機驅動(dòng)系統的關(guān)鍵問(wèn)題之一是電機可能產(chǎn)生不必要的功率，從而出現可能導致系統損壞的過(guò)壓條件。系統應具有功能 MOSFET的控制機制（確保正確導通或關(guān)斷），以便保護系統免受過(guò)壓條件造成的進(jìn)一步損害。此類(lèi)保護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，讓系統設計人員能夠確定對 MOSFET 短路的響應。該器件可以配置為啟用所有高側 MOSFET 或所有低側 MOSFET 或者動(dòng)態(tài)啟用所有低側或高側 MOSFET，而不是通過(guò)禁用所有MOSFET 來(lái)響應故障情況。主動(dòng)短路輸入的器件響應延遲時(shí)間可通過(guò)串行外設接口 (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 標準設計，有助于實(shí)現最高可達汽車(chē)安全完整性等級 D (ASIL D) 的功能安全電機驅動(dòng)系統。
圖 5-1 展示了 48V 大功率電機驅動(dòng)器設計的典型電機驅動(dòng)器方框圖。要實(shí)現安全可靠的電機驅動(dòng)系統，需要使用鉗位二極管、外部驅動(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 105V 的電壓，可處理低至 –15V 的負瞬態(tài)電壓，并提供可選的大電流柵極驅動(dòng)器電流輸出。如圖 5-2 所示，采用 DRV3255-Q1 來(lái)設計 48V 大功率電機驅動(dòng)系統能移除虛線(xiàn)框的器件。這種方法可以簡(jiǎn)化設計并減少電路板上的元件數量，從而實(shí)現適合于發(fā)動(dòng)機艙有限空間的緊湊設計。
圖 5-1. 電機驅動(dòng)器方框圖
圖 5-2. 簡(jiǎn)化的 DRV3255-Q1 電機驅動(dòng)器方框圖
6 結語(yǔ)
48V 電機驅動(dòng)系統旨在減少 MHEV 的 GHG 排放。作為系統設計人員，他們需要設計尺寸小且功能安全的大功率（10kW 至 30kW）48V 電機驅動(dòng)系統。DRV3255-Q1 具有可選的高柵極驅動(dòng)電流、高壓瞬態(tài)支持、主動(dòng)短路邏輯和功能安全合規性，有助于設計大功率、功能安全的小型 48V MHEV 電機驅動(dòng)系統。
7 參考文獻
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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