【導讀】減少溫室氣體(GHG)排放的全球性舉措推動了汽車的發展，要求汽車制造商提高新車動力總成的電氣化水平。輕混合動力電動汽車(MHEV)采用48V電機驅動系統來幫助減少內燃機(ICE) 的GHG排放，已成為實現合規性的極具吸引力的選擇，因為這種汽車的實現成本遠遠低于全混合動力電動汽車。本白皮書介紹如何使用DRV3255-Q1 48V BLDC電機驅動器在 MHEV 中實現汽車安全完整性等級D(ASIL D) 功能安全，同時提供高達 30kW 的電機功率和高集成度以幫助減小布板空間。
1 簡介
減少溫室氣體(GHG)排放的全球性舉措推動了汽車的發展，要求汽車制造商提高新車動力總成的電氣化水平。輕混合動力電動汽車(MHEV)采用48V電機驅動系統來幫助減少內燃機(ICE) 的GHG排放，已成為實現合規性的極具吸引力的選擇，因為這種汽車的實現成本遠遠低于全混合動力電動汽車。本白皮書介紹如何使用DRV3255-Q1 48V BLDC電機驅動器在 MHEV 中實現汽車安全完整性等級D(ASIL D) 功能安全，同時提供高達 30kW 的電機功率和高集成度以幫助減小布板空間。
2 MHEV 與 48V 電機驅動系統的使用
在美國、日本、中國以及歐盟等國家/地區，多項旨在減少溫室氣體 (GHG) 排放的全球性舉措推動了汽車的發展。例如，美國運輸部下屬的美國國家公路交通安全管理局于 2020 年 3 月發布了其最終環境影響聲明[1]，其中規定了2021 年至 2026 年的車輛燃油經濟性指標。根據該聲明第 2.2.2.3 條的估計，到 2026 年，乘用車和卡車合并的公司平均燃油經濟性指標將達到 40.4mpg。歐盟也承諾根據《巴黎協定》(COP21) 于 2030 年前將 GHG 排放量減少 40%（與 1990 年相比）[2]。
汽車制造商有幾種方法可以實現減少 GHG 排放的目標。一種方法是制造采用 48V 電機驅動系統的輕混合動力電動汽車 (MHEV)。由于內燃機 (ICE) 在燃燒過程中會排放 GHG，因此 MHEV 中的 ICE 會在車輛滑行時關閉，這有助于減少 ICE 的 GHG 排放。在這種情況下，48V 電機驅動系統會為 48V 電池充電，以便為車輛供電。MHEV對于汽車制造商而言是實現 GHG 減排目標的一種極具吸引力的選擇，因為這種汽車的實現成本遠低于全混合動力電動汽車，并且具有設計靈活性。
MHEV 中的 48V 電機驅動系統可以根據設計目標，在不同位置固定到變速器系統。圖 2-1 展示了變速器系統上的連接點。
圖 2-1. 變速器系統上的電機驅動系統連接點 (48V)
48V 電機驅動系統位于 P0 或 P1 時，可以用作起動機發電機，因為它連接到 ICE 并兼具起動機和發電機的功能。當位于 P2、P3 或 P4 時，48V 電機驅動系統用作電動發電機。
3 48V 電機驅動系統的設計挑戰
影響成功設計 48V 電機驅動系統的因素有很多：大功率電機驅動、安全性和小尺寸。大功率電機驅動對于幫助實現 GHG 減排非常重要。由于 48V 電機在車輛滑行和制動過程中會發電，用作起動機發電機時，還會在發動機啟動時提供動力輔助，因此，確保功能安全至關重要。另外，在發動機艙有限的空間內，48V 電機系統靠近 ICE 放置，有必要實現小尺寸。
對于汽車動力總成應用，典型的 48V 電機驅動系統需要 10kW 至 30kW 的電功率。48V 和 12V 雙電源系統可以支持這種級別的大功率電機驅動。大功率 48V 電機驅動器有很多種不同的電源架構。
圖 3-1 顯示了 48V 電機驅動器的最常見架構。把 48V 電池連接到電機，然后通過直流轉直流降壓器把 48V 向下轉為 12V 供應給電機驅動器，電源管理集成電路和微控制器。12V 電池和透過直流轉直流降壓器所產生的 12V 電源透過二機管接起來，以確保能提供電機控制所需要的 12V 電源。48V 電源的電壓應遵循國際標準化組織 (ISO)21780 規定的標準（如圖 3-2 所示）。
圖 3-1. 大功率 48V 電機驅動器的常見電源架構
圖 3-2. ISO 21780 規定的 48V 電壓電平
4 大功率電機驅動的注意事項
如圖 3-1 所示，48V 大功率電機驅動器可以驅動外部金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)，從而使電機旋轉。為了支持 10kW 至 30kW 的功率，這些外部 MOSFET 需要支持 200A 至 600A 以上的電流。盡可能減小MOSFET 的 RDS(on) 有助于減小熱耗散和導通損耗；在某些情況下，宜在每個通道中并聯多個 MOSFET，因為這樣有助于每個 MOSFET 的散熱。因此，MOSFET 的總柵極電荷很大，在 300nC 至 700nC 之間。在功率達30kW 等極端情況下，MOSFET 的總柵極電荷可能高達 1,000nC。
必須優化由開關損耗引起的熱耗散，并確保整個解決方案符合電磁兼容性 (EMC) 規范，這一點很重要。MOSFETVDS 的上升和下降時間決定了開關損耗。更短的上升和下降時間可以減少開關損耗，但會影響 EMC 性能。圖 4-1顯示了 MOSFET 的柵極電荷與 MOSFET 開關期間下降時間之間的關系。
圖 4-1. VDS 下降時間與柵極電荷間的關系
如圖 3-2 所示，48V 電池可能會超過標稱電壓，其瞬態過沖可能高于 60V 限值。相反，由于 MOSFET 寄生二極管的反向恢復時間將導致反應緩慢，因此電機驅動器的相連接引腳必須能夠承受負瞬態電壓。選擇一個能夠在高于 48V 的電壓下保持正常運行并仍然能夠承受負電壓的電機驅動器是很難的。
集成的 DRV3255-Q1 48V BLDC 電機驅動器旨在驅動高柵極電荷 MOSFET：柵極驅動器輸出的峰值拉電流為3.5A，柵極驅動器輸出的峰值灌電流為 4.5A。憑借如此高的電流驅動能力，即使在柵極電荷為 1,000nC 的情況下，也可以縮短 MOSFET VDS 的上升和下降時間。另外，DRV3255-Q1 能夠選擇柵極驅動器輸出電流電平。此器件可幫助系統設計人員通過可調的電流電平來微調上升和下降時間，以便在開關損耗（進而影響熱耗散）和EMC 性能之間進行優化。
DRV3255-Q1高側MOSFET柵極驅動器自舉引腳的最大工作電壓為105V。同時，再結合90V的連續工作最大電機電源引腳電壓，DRV3255-Q1可以在旋轉 48V 電機時實現真正的 90V 運行。自舉引腳、高側 MOSFET 源極感應引腳和低側 MOSFET 源極感應引腳的負瞬態電壓額定值為 –15V。
5 48V 電機驅動系統的安全性和尺寸注意事項
采用安全的大功率電機驅動器時需要有保護機制，因為流經電機的額定電流可能超過 200A。48V 電機驅動系統的關鍵問題之一是電機可能產生不必要的功率，從而出現可能導致系統損壞的過壓條件。系統應具有功能 MOSFET的控制機制（確保正確導通或關斷），以便保護系統免受過壓條件造成的進一步損害。此類保護通常需要外部安全邏輯和比較器。
DRV3255-Q1 集成了主動短路邏輯，讓系統設計人員能夠確定對 MOSFET 短路的響應。該器件可以配置為啟用所有高側 MOSFET 或所有低側 MOSFET 或者動態啟用所有低側或高側 MOSFET，而不是通過禁用所有MOSFET 來響應故障情況。主動短路輸入的器件響應延遲時間可通過串行外設接口 (SPI) 寄存器進行編程和配置。此外，DRV3255-Q1 提供完整的診斷覆蓋范圍，并按照 ISO 26262 標準設計，有助于實現最高可達汽車安全完整性等級 D (ASIL D) 的功能安全電機驅動系統。
圖 5-1 展示了 48V 大功率電機驅動器設計的典型電機驅動器方框圖。要實現安全可靠的電機驅動系統，需要使用鉗位二極管、外部驅動電路、匯路電阻器和二極管、比較器以及外部安全邏輯。DRV3255-Q1 集成了外部邏輯和比較器，在自舉引腳上支持高達 105V 的電壓，可處理低至 –15V 的負瞬態電壓，并提供可選的大電流柵極驅動器電流輸出。如圖 5-2 所示，采用 DRV3255-Q1 來設計 48V 大功率電機驅動系統能移除虛線框的器件。這種方法可以簡化設計并減少電路板上的元件數量，從而實現適合于發動機艙有限空間的緊湊設計。
圖 5-1. 電機驅動器方框圖
圖 5-2. 簡化的 DRV3255-Q1 電機驅動器方框圖
6 結語
48V 電機驅動系統旨在減少 MHEV 的 GHG 排放。作為系統設計人員，他們需要設計尺寸小且功能安全的大功率（10kW 至 30kW）48V 電機驅動系統。DRV3255-Q1 具有可選的高柵極驅動電流、高壓瞬態支持、主動短路邏輯和功能安全合規性，有助于設計大功率、功能安全的小型 48V MHEV 電機驅動系統。
7 參考文獻
1. “Final Environmental Impact Statement – The Safer Affordable Fuel-Efficient (SAFE) Vehicles Rule for Model Years 2021-2026 Passenger Cars and Light Trucks,” National Highway Traffic Safety Administration,U.S. Department of Transportation, March 2020 (docket no. NHTSA-2017-0069).
2. “Worldwide Emission Standards and Related Regulations – Passenger Cars/Light and Medium duty Vehicles”, CPT Group GmbH, May 2019.
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