【導讀】自《巴黎協(xié)定》推行簽署以來(lái)，全球經(jīng)濟脫碳已成共識。而在全球石油消耗的總量中，交通運輸占據了10%以上，其中公路交通為主要占比。因此推動(dòng)傳統燃油汽車(chē)向新能源汽車(chē)轉型，是實(shí)現節能減排的重要途徑之一。據IHS預測，要達到2050年凈零排放的目標，2030年汽車(chē)電氣化的占比就應達到60%以上。
圖1：凈零排放需求推高了輕型車(chē)輛中xEV的占比
（圖源：IHS）
電驅能效提高，實(shí)現更長(cháng)續航
雖然當前電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展獲得了來(lái)自“雙碳”政策的推動(dòng)，但大部分消費者仍面臨著(zhù)里程焦慮的困擾，因此電動(dòng)汽車(chē)尚不能全面替代燃油車(chē)成為出行首選。
要快速實(shí)現汽車(chē)行業(yè)電氣化轉型，電動(dòng)汽車(chē)需要達到與燃油車(chē)一致的駕乘里程，這其中涉及到了充電、電池管理和電機驅動(dòng)等多項技術(shù)發(fā)展。從充電方面來(lái)看，充電速度需要進(jìn)一步提升，超充站、換電站等基建要跟得上；從電池方面來(lái)看，電池的容量、充放電效率要進(jìn)一步提高；從電機驅動(dòng)方面來(lái)看，整體驅動(dòng)系統的能效也要進(jìn)一步提高。
圖2：來(lái)自韓國現代汽車(chē)統計表明，續航里程和充電體驗仍是消費者選購EV時(shí)最關(guān)心的參數
（圖源：現代汽車(chē)官網(wǎng)）
一輛電動(dòng)汽車(chē)最為重要的構成就是“三大電”，即電池、電機和電驅系統。其中電機是構成電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統的核心部件，是其行駛中的執行結構。而進(jìn)行主電機控制的主驅逆變器（Traction Inverter），堪稱(chēng)電動(dòng)汽車(chē)的心臟，它負責將電池能量轉換成控制速度和扭矩的動(dòng)力。
主驅逆變器和其所控制的電動(dòng)機的響應速度將會(huì )直接影響駕駛感受，決定了汽車(chē)行駛的主要性能指標。不同的控制和驅動(dòng)特性調教，可以為不同類(lèi)型車(chē)輛帶來(lái)不同駕駛表現。如果電機控制做得不夠好，動(dòng)力系統效率會(huì )大幅降低，甚至電機也容易發(fā)熱損壞。
圖3：電動(dòng)汽車(chē)“三大電”
（圖源：Silicon Mobility）
扭矩和電機尺寸成正比，而功率決定了電機扭矩和速度。在不影響功率水平的情況下，要想追求汽車(chē)整體的續航設計目標，延長(cháng)行駛里程，同時(shí)減小電氣尺寸和重量，就只能提高轉速。這意味著(zhù)牽引電機需要以更高速運行（>30,000 rpm），這也就對牽引逆變器提出了更高的要求，需要實(shí)現更快速感測和處理。
典型的主驅逆變器方案中包括控制模塊、驅動(dòng)器、功率變換器以及多種傳感器?？刂颇K負責接收駕駛者給出的加速減速等指令，將其轉換成驅動(dòng)器能夠接收的驅動(dòng)信號；驅動(dòng)器接收來(lái)自控制器的指令，將其轉換成對逆變器中可控硅的通斷指令；功率變換器的部分主要是由逆變器構成，接收到驅動(dòng)器的信號后，對電機的電流電壓進(jìn)行控制。另外，驅動(dòng)器除了驅動(dòng)之外，還作為保護裝置，提供過(guò)壓、過(guò)流、故障監測等保護功能。而功率變換部分，則可根據不同需求，選擇IGBT或SiC方案。
圖4：典型主驅逆變器方案由控制器、驅動(dòng)電路和功率級組成
（圖源：安森美）
近年來(lái)隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展，追求高能效成為了電驅設計的關(guān)鍵。牽引逆變器的設計趨勢包括：采用更高算力芯片和更為先進(jìn)的控制算法；使用SiC MOSFET作為功率級的開(kāi)關(guān)晶體管；使用高壓800V電池和多子系統集成以獲得高功率密度。
通過(guò)精準電流傳感器，結合智能MCU和先進(jìn)控制算法可以讓電機控制回路準確性提升，從而減少延遲并提升效率；SiC功率器件的開(kāi)關(guān)頻率比IGBT更高，因此可以將更多電池輸入轉化為可用的電機輸出，并且改善了開(kāi)關(guān)損耗、傳導損耗和導熱系數，逆變器體積也可以做到更小，實(shí)現更高的能效。
從更高的整車(chē)系統層面的考慮，業(yè)界也正在推進(jìn)將動(dòng)力系統集成，即將車(chē)載充電器、DC/DC 轉換器和主驅逆變器等獨立系統組合到單個(gè)域控制器下，實(shí)現單個(gè)緊湊機械外殼中的統一集成，從整車(chē)的角度提升功率密度。
圖5：逆變器采用SiC相比IGBT能效更高
（圖源：Institute of Electrical and Electronics Engineers）
選擇合適器件，實(shí)現高效電驅設計
從燃油車(chē)邁向電氣化，芯片在汽車(chē)中的作用更為重要。為實(shí)現電機的高能效設計目標，就需要選擇高性能的器件。
電機控制器
電機控制的選擇上，給大家推薦安森美（onsemi）的LV8907UW BLDC電機控制器，該器件在貿澤電子上的料號為L(cháng)V8907UWR2G。這是一款高性能、無(wú)傳感器三相器件，設有集成式柵極驅動(dòng)器和兩級電荷泵。該器件可為各種超低RDS(ON)型外部N-MOSFET提供所需的柵極電流，并具有過(guò)流、過(guò)壓、短路、欠壓及過(guò)熱等保護特性。工作電壓范圍為5.5V至20V，并采用梯形或正弦反EMF（電動(dòng)勢）反饋。
圖6：LV8907UWR2G框圖
（圖源：貿澤電子）
LV8907UW BLDC電機控制器支持開(kāi)環(huán)和閉環(huán)速度控制，設有用戶(hù)可配置的啟動(dòng)、速度設置以及比例/積分（PI）控制系數，非常適合用于各種電機和負載組合。LV8907具有高集成度（內置用于為外部電路供電的線(xiàn)性穩壓器）、看門(mén)狗定時(shí)器以及本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )（LIN）收發(fā)器。LV8907采用緊湊的48引腳SPQFP48封裝，提供極為小巧的解決方案尺寸。
另外針對步進(jìn)電機的應用，可以選擇Toshiba的TB9120AFTG汽車(chē)步進(jìn)電機驅動(dòng)器，該器件在貿澤電子上的料號為T(mén)B9120AFTG(EL)。這是一款恒流、兩相、雙極步進(jìn)電機驅動(dòng)器，具有時(shí)鐘輸入接口和PWM恒流控制系統，適合用于各種使用步進(jìn)電機的常見(jiàn)汽車(chē)應用。該產(chǎn)品支持全步進(jìn)至1/32步進(jìn)可選激勵模式，實(shí)現了更低的電機噪聲和更流暢的控制。
柵極驅動(dòng)器
柵極驅動(dòng)器的選擇上給大家推薦安森美的LV8968BBUW柵極驅動(dòng)器，該器件在貿澤電子上的料號為L(cháng)V8968BBUWR2G。這是一款三相BLDC/PMSM前置驅動(dòng)器，集成了相位電壓檢測和邏輯電平FET兼容性。該柵極驅動(dòng)器為外部電源橋提供400mA柵極電流，支持低電阻功率FET和邏輯電平FET。
圖7：LV8968BBUW框圖
（圖源：貿澤電子）
LV8968BBUW柵極驅動(dòng)器具有可編程線(xiàn)性穩壓器、快速電流檢測放大器和支持微控制器的窗口看門(mén)狗。該柵極驅動(dòng)器具有寬工作范圍，符合AEC-Q100標準，非常適合用于汽車(chē)應用。LV8968BBUW柵極驅動(dòng)器還具有適用于ISO26262應用的保護和監控特性。
為了更快地進(jìn)行柵極驅動(dòng)器的評定，工程師們也可以考慮直接選擇相應的評估板。在這里給大家推薦安森美的LV8968BB評估板，這是一款適用于8V至25V應用的通用汽車(chē)三相柵極驅動(dòng)器，該評估板在貿澤電子上的料號是LV8968BBGEVB。該評估板配有各種可選外設，支持實(shí)現從簡(jiǎn)單的無(wú)傳感器BEMF換向到復雜的磁場(chǎng)定向算法等各種電機控制。為方便和電機控制器進(jìn)行通信，該評估板設有用于連接微控制器的接口和用于A(yíng)rduino DUE的插入式接口。
圖8：LV8968BB實(shí)物圖
（圖源：貿澤電子）
除上述驅動(dòng)器件外，其他晶體管的選型也應仔細考量。針對12V至48V電池系統的各種汽車(chē)應用，可以選擇東芝的汽車(chē)級N/P溝道SSMx MOSFET，該系列實(shí)現了高水平的低導通電阻，因此可以進(jìn)一步降低能量損耗。該系列在貿澤電子上給大家推薦的料號為SSM3J145TU,LXHF。
此外，還可以通過(guò)使用高集成度的元器件來(lái)進(jìn)一步縮小系統尺寸，提升系統整體功率密度。東芝的RN汽車(chē)用內置偏置電阻型晶體管，針對開(kāi)關(guān)、逆變器電路、接口連接和驅動(dòng)器電路應用優(yōu)化。通過(guò)內部集成偏置電阻，從而進(jìn)一步減少了外圍元件。該系列在貿澤電子上給大家推薦的料號為RN2101MFV,L3XHF(CT。
以上所有的元器件，均可在貿澤電子的官網(wǎng)獲取信息并實(shí)現采購。作為知名的電子元器件分銷(xiāo)商，貿澤電子長(cháng)期關(guān)注汽車(chē)電氣化轉型，為廣大工程師提供廣泛的車(chē)規級芯片選擇。
總結
做好電機控制是電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現高續航、高性能駕乘體驗的關(guān)鍵要素。為了實(shí)現更高的功率密度，行業(yè)已經(jīng)推進(jìn)采用SiC MOSFET、800V電池系統和動(dòng)力系統集成等技術(shù)路線(xiàn)，而這些新技術(shù)的推進(jìn)，也對工程師提出了新的設計挑戰。
選擇先進(jìn)的器件、模塊和方案是實(shí)現高效電機驅動(dòng)設計的關(guān)鍵。貿澤電子提供豐富的電機驅動(dòng)相關(guān)器件，助力碳中和之路上的電氣化轉型。
來(lái)源：Mouser
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