【導讀】制造商制造輕混電動(dòng)車(chē)(MHEV)的最終目標是減少溫室氣體(GHG)排放。輕混電動(dòng)車(chē)包含一個(gè)連接到車(chē)輛變速器系統的48V電機驅動(dòng)系統。為了減少溫室氣體排放，輕混電動(dòng)車(chē)中的內燃機(ICE)會(huì )在車(chē)輛滑行時(shí)關(guān)閉，同時(shí)該48V電機系統會(huì )為48V電池充電，以便為車(chē)輛供電。在本文中，我將討論48V電機驅動(dòng)器的一種設計方法，該設計可提供大功率的電機驅動(dòng)，實(shí)現功能安全并且尺寸更加小巧。
大功率電機驅動(dòng)的注意事項
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。傳統的12V電池系統無(wú)法滿(mǎn)足該功率水平，因此必須采用48V架構來(lái)支持大功率電機驅動(dòng)。
閱讀白皮書(shū)《如何構建功能安全的小型48V、30kW輕混電動(dòng)車(chē)電機驅動(dòng)系統》，詳細了解如何解決電機驅動(dòng)系統驅動(dòng)電路中的重大設計難題。
如圖1所示，48V電機驅動(dòng)器控制外部金屬-氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)，以使電機旋轉。這些外部MOSFET必須支持600A以上的電流才能實(shí)現30kW的功率目標。有效減小MOSFET的RDS(on)可減小熱耗散和導通損耗，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，如應用手冊《使用DRV3255-Q1驅動(dòng)并聯(lián)MOSFET》中所述。MOSFET的總柵極電荷可能高達1,000nC。
設計人員還需要優(yōu)化由開(kāi)關(guān)損耗引起的功率耗散，以使整個(gè)解決方案符合汽車(chē)電磁兼容性(EMC)規范。高柵極電流柵極驅動(dòng)器（如DRV3255-Q1）可以驅動(dòng)高柵極電荷MOSFET，其峰值源電流高達3.5A，峰值吸電流高達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)現很短的上升和下降時(shí)間?？蛇x的柵極驅動(dòng)器輸出電流水平使您可以微調上升和下降時(shí)間，從而在開(kāi)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電機驅動(dòng)器的最常見(jiàn)電源架構
即使電池的標稱(chēng)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中國際標準化組織 (ISO) 21780 規定的電壓水平。此外，考慮到MOSFET寄生體二極管的反向恢復時(shí)間，電機驅動(dòng)器引腳需要能夠承受負瞬態(tài)電壓。
圖2：ISO 21780規定的48V系統的電壓水平
憑借能夠承受105V電壓的高側自舉引腳，DRV3255-Q1能夠在90V的電壓下支持真正的連續工作，并支持高達95V的瞬態(tài)電壓。自舉的高側MOSFET源極和低側MOSFET源極的額定瞬態(tài)電壓為–15V，從而提供大功率電機驅動(dòng)器系統所需的強大保護。
48V電機驅動(dòng)器的功能安全注意事項
48V電機驅動(dòng)系統存在產(chǎn)生不必要功耗的風(fēng)險，這可能會(huì )導致出現過(guò)壓情況，從而損壞系統。正常的系統響應是使所有高側或低側MOSFET導通，使電機電流再循環(huán)，避免產(chǎn)生更多電流。如果出現故障，系統必須具有適當地切換功能性MOSFET的機制，以避免進(jìn)一步損壞。實(shí)施此類(lèi)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(dòng)短路邏輯，您可以決定在檢測到故障情況時(shí)應如何響應?？梢詫⒃撨壿嬇渲脼閱⒂盟懈邆萂OSFET、啟用所有低側MOSFET或在低側和高側MOSFET之間動(dòng)態(tài)切換（具體取決于故障情況），而不是通過(guò)禁用所有MOSFET來(lái)響應故障情況。此外，DRV3255-Q1符合ISO 26262規定的功能安全標準，并包含診斷和保護功能，可支持ASIL D級的功能安全電機驅動(dòng)器系統。
48V電機驅動(dòng)器的尺寸注意事項
發(fā)動(dòng)機艙中的空間有限，因此要求48V電機驅動(dòng)器系統的電路板具有較小的尺寸。圖3展示了傳統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)現具有強大保護功能的安全電機驅動(dòng)器系統，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。這些外部器件會(huì )導致布板空間增大并使系統成本升高。
圖3：典型的48V大功率電機驅動(dòng)器方框圖
在采用DRV3255-Q1后，通過(guò)集成外部邏輯和比較器、可調節高電流柵極驅動(dòng)器以及對大電壓瞬態(tài)的支持（無(wú)需額外的外部器件），可以提供顯著(zhù)的優(yōu)勢來(lái)有效減小總體電路板尺寸，如圖4所示。
圖4：簡(jiǎn)化的DRV3255-Q1電機驅動(dòng)器方框圖
隨著(zhù)48V輕混電動(dòng)車(chē)日益普遍，您是否考慮為下一輛汽車(chē)采用輕混電動(dòng)車(chē)？
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