《電子技術(shù)應(yīng)用》
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采用高度集成的電機(jī)控制方案應(yīng)對(duì)最新的汽車(chē)趨勢(shì)

2016-06-08

  當(dāng)前,汽車(chē)功能電子化趨勢(shì)正日益加強(qiáng),以應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的燃油能效法規(guī),和滿足消費(fèi)者對(duì)節(jié)能、安全、舒適以及便捷等方面的更高要求。汽車(chē)已經(jīng)從單純的機(jī)械產(chǎn)品變身為復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品,安裝在汽車(chē)中的電機(jī)數(shù)量持續(xù)增加。據(jù)預(yù)測(cè),到2020年,每輛豪華車(chē)中的電機(jī)數(shù)將多達(dá)120臺(tái)。直流無(wú)刷 (BLDC)電機(jī)由于具有多種優(yōu)勢(shì),正被越來(lái)越多地整合至汽車(chē)水泵、油泵、燃油泵、散熱風(fēng)扇、暖通空調(diào)(HVAC)、混合動(dòng)力系統(tǒng)、座椅風(fēng)扇等部件,實(shí)現(xiàn)更高能效和性能。

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  圖1:無(wú)刷直流電機(jī)在汽車(chē)中的應(yīng)用

  直流無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

  直流無(wú)刷電機(jī)無(wú)需電刷和換向器,解決空間受限的系統(tǒng)設(shè)計(jì),且不用擔(dān)心一般的磨損、火花和噪聲,提供良好的控制,為汽車(chē)內(nèi)的特定應(yīng)用提供可變速控制。更重要的是,直流無(wú)刷電機(jī)可提升燃油能效,節(jié)省約60%~70%的能耗。當(dāng)無(wú)刷電機(jī)用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS),行駛里程增加3~5%,用于 電動(dòng)水泵(EWP)及電動(dòng)油泵(EOP)提升約3%的能效,用于燃油泵提升約1%的能效。例如,水泵和油泵通常通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)電源運(yùn)行。如果發(fā)動(dòng)機(jī)停止,發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)就沒(méi)有電源。但是,如果電機(jī)用于水泵和油泵,無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)是啟動(dòng)還是停止,這些功能都可獨(dú)立運(yùn)行,從而提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

  采用直流無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)考量

  若采用直流無(wú)刷電機(jī)替代有刷電機(jī),那么以前必須由換向器機(jī)械式完成的工作,現(xiàn)在通過(guò)三相逆變器電氣化完成。逆變器需要一個(gè)門(mén)極驅(qū)動(dòng)器,它通常由一個(gè)微控制器實(shí)施復(fù)雜的軟件算法來(lái)控制。這增加了系統(tǒng)復(fù)雜性,對(duì)工程師來(lái)說(shuō)是一大技術(shù)挑戰(zhàn)。而安森美半導(dǎo)體推出的智能直流無(wú)刷電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)芯片LV8907,可解決這一挑戰(zhàn)。該方案無(wú)需外部電機(jī)位置傳感器或系統(tǒng)微控制器,減少PCB占位面積,自帶嵌入式控制算法,無(wú)需自寫(xiě)電機(jī)控制算法,降低系統(tǒng)復(fù)雜性,縮短開(kāi)發(fā)周期,加快產(chǎn)品上市。

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  圖2:LV8907無(wú)需傳統(tǒng)方案中的微控制器和傳感器

  智能直流無(wú)刷電機(jī)方案LV8907概覽

  LV8907利用無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)邏輯實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器120度或150度控制換流,采用近似正弦波運(yùn)行以滿足無(wú)聲驅(qū)動(dòng)要求。可配置的參數(shù)適合一系列電機(jī)和負(fù)載組合,一次性可編程(OTP)內(nèi)存提供參數(shù)存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)方案定制化,省去外部元件來(lái)執(zhí)行各種設(shè)置,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作,集成門(mén)極驅(qū)動(dòng)器,用于驅(qū)動(dòng)外部N-MOSFET,電荷泵驅(qū)動(dòng)提供100%占空比和擴(kuò)展的低壓工作。芯片通過(guò)LIN接口與外界交互,SPI接口提供配置、實(shí)時(shí)控制和診斷。在汽車(chē)應(yīng)用中,要求能在150°C的環(huán)境溫度(Ta)和170°C的結(jié)溫(Tj)下工作,LV8907耐受工作結(jié)溫達(dá)175℃,確保在嚴(yán)苛的汽車(chē)工作環(huán)境下的可靠性,完全符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。

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  圖3:LV8907框圖

  由于LV8907高度集成MOSFET門(mén)極驅(qū)動(dòng)器、LIN收發(fā)器和低壓降穩(wěn)壓器(LDO),最大限度地減少占位面積;無(wú)需依賴的位置傳感器,無(wú)軟件缺陷,故障監(jiān)測(cè)及診斷功能完善,集成逐周期限流、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓/欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等一系列保護(hù)特性,基于狀態(tài)機(jī)的方案采用OTP實(shí)現(xiàn)參數(shù)化,無(wú)EMI/EMC問(wèn)題引起的數(shù)據(jù)損壞,實(shí)現(xiàn)最高系統(tǒng)可靠性;LV8907無(wú)需軟件和易于定制,比基于微控制器的方案縮短達(dá)80%的開(kāi)發(fā)時(shí)間,加快產(chǎn)品上市,并節(jié)省物料單成本。

  更高集成度的智能功率模塊(IPM)

  隨著降低汽車(chē)內(nèi)電子電路成本、減小尺寸及重量,和實(shí)現(xiàn)更高可靠性的要求日益增加,智能功率模塊可更好地滿足趨勢(shì)所需。如安森美半導(dǎo)體的STK984系列,集成BLDC LV8907和多個(gè)獨(dú)立的功率MOSFET,無(wú)需電路板、傳感器和外部微控制器,節(jié)省空間、減輕重量,成本也隨之降低,用于驅(qū)動(dòng)汽車(chē)滑動(dòng)門(mén)、EPS單元、泵、雨刮、HVAC和散熱風(fēng)扇,提供更高可靠性。

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  圖4:獨(dú)立的無(wú)傳感器式電機(jī)控制IPM

  STK984系列采用獨(dú)特的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST),將不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件及無(wú)源器件和其它部分集成到單個(gè)模塊中。IMST結(jié)構(gòu)通過(guò)使用絕緣層覆蓋鋁片,將銅箔置于頂層,并在銅箔上蝕刻,使單層布線圖案能被自由定制。基于IMST的IPM,由于功率晶體管、提供溫度檢測(cè)的控制電路和保護(hù)電路可貼裝在同一板上,從而最大限度減小溫度檢測(cè)的誤差,實(shí)現(xiàn)高精度溫度檢測(cè);由于在金屬基板的鋁片和銅箔之間有一個(gè)分布式電容通過(guò)絕緣樹(shù)脂,有效地降低噪聲;此外,IMST結(jié)構(gòu)還提供出色的散熱性能。

  例如,3相無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IPM STK984-090A-E/091A-E內(nèi)置預(yù)驅(qū)動(dòng)器IC、分流電阻和電荷泵電路,集成過(guò)流、過(guò)溫、過(guò)壓/欠壓等保護(hù)特性,可用于汽車(chē)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)扇、散熱風(fēng)扇、水泵和滑動(dòng)門(mén)等等。

  又如STK984-190-E集成7 個(gè)MOSFET到單個(gè)小封裝中,采用直接鍵合銅(DBC)基板,無(wú)需絕緣襯墊,具有低熱阻抗,提供極佳散熱性和設(shè)計(jì)靈活性,內(nèi)置反向連接電池保護(hù),提升可靠性,完全符合AEC-Q100要求,用于12 V系統(tǒng)時(shí)的電機(jī)功率達(dá)300 W。同分立方案相比,STK984-190-E的占位面積、重量、元件數(shù)和熱阻抗分別減少48.7%、36.2%、53.8%和21.1%,是用于汽車(chē)雨刮器、風(fēng)扇和泵等應(yīng)用的理想器件。

  總結(jié)

  為應(yīng)對(duì)汽車(chē)功能電子化趨勢(shì),車(chē)用電機(jī)正越來(lái)越多,并從有刷直流向無(wú)刷直流發(fā)展。隨著減小尺寸及重量、降低系統(tǒng)成本和實(shí)現(xiàn)更高可靠性的要求日益增加,需要不斷提高集成度。安森美半導(dǎo)體提供全面的無(wú)刷電機(jī)方案,包括分立和集成方案,如無(wú)傳感器的BLDC LV8907及更高集成度的IPM STK984系列,解決軟件編寫(xiě)、空間、成本和設(shè)計(jì)時(shí)間等方面的挑戰(zhàn),提供更高能效、功率密度和系統(tǒng)可靠性,是水泵、油泵、燃油泵、散熱風(fēng)扇、HVAC、雨刮器和滑動(dòng)門(mén)等汽車(chē)應(yīng)用的理想選擇。


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