為48V MHEV設計最佳化馬達驅動器

作者 : Issac Hsu, TI

48-V 輕度混合動力汽車(MHEV)已越來越普及,您是否也在下一款汽車中考慮使用?

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48-V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,48-V馬達系統則會將48-V電瓶充電,以提供車輛電力。本文將討論如何使用提供高功率馬達驅動的48-V馬達驅動器設計,來實現功能安全與精巧尺寸。

高功率馬達驅動之考量

傳統48-V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12-V電池系統缺乏效率,因此必須採用48-V架構來支援高功率馬達驅動。

如圖1所示,48-V馬達驅動器會控制外部金屬氧化半導體場效應電晶體(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 1,000 nC。

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 3.5 A 峰值電流源和 4.5 A 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 亦同。可選式閘極驅動輸出電流等級讓您可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。

圖1:最常見的高功率48-V馬達驅動器電源架構

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。請參考圖2中國際標準化組織(ISO) 21780所指定的電壓位準。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。

圖 2:ISO 21780中指定的48-V系統電壓位準

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 95 V。靴帶式電路高壓側MOSFET源極與低壓側MOSFET源極的額定值為–15-V暫態,可提供高功率馬達驅動器系統所需的強大防護。

48-V 馬達驅動器的功能安全考量

48-V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。若發生故障情況,系統必須具有適當機制適當切換功能正常的MOSFET,以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。

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,您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。

48-V馬達驅動器的尺寸考量

由於引擎空間有限,因此48-V馬達驅動器系統必須具備較小的電路板尺寸。圖3說明傳統48-V高功率馬達驅動器設計的典型馬達驅動器方塊圖。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。

圖 3:典型 48-V 高功率馬達驅動器方塊圖

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,如圖4所示。

圖 4:DRV3255-Q1 簡化馬達驅動器方塊圖

48-V MHEV已越來越普及,您是否也在下一款汽車中考慮使用?

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