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TI:高功率馬達驅動器 實現48V混合動力汽車最佳化設計
 

【CTIMES/SmartAuto 編輯部 報導】   2021年03月11日 星期四

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製造商在打造輕度混合動力汽車(MHEV)時,主要以減少溫室氣體(GHG)排放為終極目標。MHEV採用與汽車傳動系統相連接的48V馬達驅動系統。為減少GHG排放,車輛滑行時MHEV中的內部燃燒引擎(ICE)將會關閉,48V馬達系統則會將48V電瓶充電,以提供車輛電力。

德州儀器(TI)Issac Hsu指出,48V MHEV已越來越普及,在新款汽車中將有越來越多考慮使用。使用提供高功率的48V馬達驅動器設計可以實現功能安全與精巧尺寸。傳統48V馬達驅動系統需要10kW至30kW電力供汽車動力系統應用。由於此功率位準的傳統12V電池系統缺乏效率,因此必須採用48V架構來支援高功率馬達驅動。

48V馬達驅動器會控制外部MOSFET以轉動馬達。這些外部MOSFET必須支援600A以上電流,以實現30kW的目標。將MOSFET的RDS(on) 降到最低,將能減少散熱與傳導損耗,在某些情況下,在每個通道並聯多個MOSFET可幫助熱分佈。MOSFET的總閘極電荷可高達1,000nC。

Issac Hsu表示,設計人員也需將切換損耗所造成的功耗最佳化,才能得到符合汽車電磁相容性(EMC)規格的總解決方案。DRV3255-Q1等高閘極電流閘極驅動器可以最高3.5A峰值電流源和4.5A電流汲取驅動高閘極電荷MOSFET。這麼高的輸出電流可縮短上升和下降時間,即使當閘極電荷為1,000-Nc也是一樣。利用可選式閘極驅動輸出電流等級,就能進行上升和下降時間微調,在切換損耗與EMC性能間取得最佳平衡。

即使額定電池電壓為48V,供應電壓仍可因運作時的暫態條件而有顯著差異。國際標準化組織(ISO)21780就有指定的電壓位準。此外,馬達驅動器針腳必須在MOSFET寄生本體二極體的反向復原時間下承受負暫態電壓。

Issac Hsu解釋,由於高壓側靴帶式電路針腳可承受105V,因此DRV3255-Q1可在90V下支援真正持續運作,暫態支援可達95V。靴帶式電路高壓側MOSFET源極與低壓側MOSFET源極的額定值為–15V暫態,可提供高功率馬達驅動器系統所需的強大防護。

更重要的是,48V馬達驅動系統存在產生不必要功率的風險,可能會導致損壞系統的過電壓情況。一般系統反應是關閉所有高壓側或低壓側MOSFET,將馬達電流再循環並防止繼續產生功率。若發生故障,系統必須具有適當機制適當切換功能正常的MOSFET,避免造成進一步損壞。

執行此類防護通常必須透過外部邏輯元件和比較器,Issac Hsu表示,DRV3255-Q1中整合主動短路邏輯元件,讓你能夠決定偵測到故障情況時如何進行反應。在反應故障情況時無需停用所有MOSFET,設計人員可視故障情況配置此邏輯元件,以啟用所有高壓側MOSFET、啟用所有低壓側MOSFET,或是動態切換高低壓側MOSFET。

此外,DRV3255-Q1依照ISO 26262功能安全合規性進行設計,並納入診斷與防護功能,可支援高達汽車安全完整性等級D (ASIL D)的功能安全馬達驅動器系統執行。

尺寸方面,由於引擎空間有限,因此48V馬達驅動器系統必須具備較小的電路板尺寸。傳統48V的典型高功率馬達驅動器設計,在執行具強大防護的安全馬達驅動器系統時,必須具備鉗位二極體、外部驅動電路、散熱路徑電阻器與二極體、比較器及外部安全邏輯元件。這些外部零組件會增加電路板空間與系統成本。

Issac Hsu補充,整合外部邏輯元件和比較器、可調式高電流閘極驅動器,且無需額外外部零組件即可支援大電壓暫態,都為縮小DRV3255-Q1整體電路板尺寸帶來顯著效益。

關鍵字: 馬達驅動器  混合動力汽車  TI(德州儀器, 德儀
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