發布日期：2022-10-09 點擊率：82
汽車 OEM 正在遷移到 BLDC，以最大限度地提高效率和可靠性。本文著眼于工程師在設計過程中應考慮的重要參數，以實現這些目標。
電磁感應 （EMI） 的發現改變了世界，預示著新時代的到來。今天，它涉及到每個部門、市場和行業。在許多方面，能夠隨意發電并將能量轉化為精確控制和規律性的運動，是發達社會的標志。
到目前為止，發電機和電動機是最常見和廣泛部署的 EMI 實施方案。除太陽能外，大部分可用電力都是通過這種方式產生的，要么是發電站的大型渦輪機，要么是風能或波浪等可再生能源解決方案中的小型發電機。
作為對這種豐富能量的回應，發電機的對應物，電動機，已經成功且不可分割地取代了純機械形式的動力。隨著電動汽車開始在我們的道路上普及，內燃機也許是這一旅程中的最新一步。
然而，汽車工業向電力轉型還有一個中間步驟，那就是用電動機代替機械設備。
增加應用
從消費者的角度來看，汽車中最明顯的電動機用途可能是驅動電動車窗和座椅。中央鎖是另一個可以引用的應用。在引擎蓋下，發生了更多的變化。電動機逐漸被指定為純機械選項，用于風扇、泵（水、油、燃料）、動力轉向和防抱死制動以及自動變速器等功能。
原因很清楚；與機械替代品相比，電動機可提供更好的控制、更高的效率和更高的可靠性。過渡剛開始時，OEM 轉向步進電機和有刷換向電機，但最近汽車行業——與許多其他行業一樣——已轉向無刷直流電機 （BLDC），這是有充分理由的。
BLDC 提供更高水平的效率，更好地控制更寬的動態范圍以及更大的扭矩。由于該技術是無刷的——從電氣角度來看，實際上是非接觸式的——它消除了有刷直流電機常見的所有電氣干擾。這有助于降低電磁干擾，這可能會給發動機控制單元 （ECU） 中更敏感的組件帶來問題。它還避免了有刷換向常見的電弧和隨后的磨損，這可能導致有刷直流電機的性能下降和最終故障。
當然，用電氣替代品代替機械電機確實需要額外的控制電子設備。在 BLDC 的情況下，可以說，缺乏電接觸會加劇這種情況。有時通過使用霍爾效應開關來控制 BLDC，該開關為控制回路提供必要的反饋。然而，最近，無傳感器 BLDC 變得流行，因為移除傳感器進一步降低了物料清單。
為驅動 BLDC（帶傳感器和不帶傳感器）而開發的控制算法由微控制器 （MCU） 處理，這提供了額外的好處，即使用 CAN 或 LIN 提供相對簡單的車輛網絡集成。為汽車應用中的電機驅動而設計的 MCU 還配備了預驅動級，以控制通過電機線圈提供高驅動電流所需的 MOSFET。最后階段對于定義整體電機驅動解決方案的效率至關重要，如下所述。
改進的驅動器
BLDC 的驅動器電路通常包括 MOSFET，以產生和破壞由定子線圈產生的電磁場，圍繞由永磁體形成的轉子旋轉。檢測定子的位置對于在線圈中產生正確的勵磁場至關重要。在使用傳感器的 BLDC 中，檢測到的是磁場，而在無傳感器版本中，控制電路測量反電動勢以確定定子位置。
無論哪種方式，線圈都通過以橋式拓撲排列的 MOSFET 供電。MOSFET 的選擇是影響 BLDC 整體效率和性能的主要因素。數據表中提供的數據是在特定條件下使用的，可能與實際應用的操作條件一致，也可能不一致。因此，在選擇最合適的 MOSFET 之前必須了解應用。
同樣，所選 MOSFET 的工作參數將對整個解決方案產生直接而重大的影響。仔細考慮這些參數將確保選擇的 MOSFET 最符合要求。
一般來說，應該考慮三個主要方面：可靠性、效率和設計。可靠性與設備的極限有關，并確保在正常操作期間永遠不會測試這些極限。具體而言，這涉及選擇具有擊穿電壓的器件，該器件可提供足夠的保護，防止可能通過其他設計選擇引入的瞬變。例如，對于使用 12V 電源運行的 BLDC，40V 的擊穿電壓就足夠了。同樣，在 24V 系統中，擊穿電壓為 60V 的 MOSFET 將提供足夠的保護。考慮漏源電流額定值也很重要，特別是在浪涌或脈沖條件下。在 BLDC 應用中，啟動或失速電流可能超過滿載電流的三倍，
就 MOSFET 而言，效率通常表示器件管理散熱的能力，尤其是在結處。良好的熱設計總是必要的，尤其是在汽車等環境溫度較高的環境中，但在選擇 MOSFET 時應考慮幾個參數。這些包括導通電阻、Rds（on） 和柵極電荷 （Qg）。這兩個參數是相互關聯的；較大的 MOSFET 可以產生較低的導通電阻，但也會導致較高的柵極電荷。這會對 BLDC 驅動器等開關應用產生重大影響。
溫度系數
驅動具有三相（線圈）的 BLDC 通常是通過 MCU 生成的 PWM（脈寬調制）信號來實現的，用于為每個相供電。圖 1 顯示了 BLDC 相位的典型橋接電路。如果兩個 MOSFET 同時開啟，則會導致擊穿，從而產生災難性影響。為了解決這個問題，將在 PWM 信號中設計一個周期，稱為死區時間，以確保在任何給定時間只有預期的 MOSFET 導通。MOSFET 的開關時間將影響所需的死區時間長度，該參數也受器件柵極電荷的影響。在死區時間期間，MOSFET 的體二極管提供了一個換流路徑，這又不是理想的，因為二極管導通時的功率損耗較高。
每個 MOSFET 都會表現出動態電容（圖 1 中的 Crss）；這是一個可能導致擊穿的參數。該參數與 Rg 相結合，在開關期間，可能會導致低端 MOSFET 的柵極電荷上升到足以將其導通的水平。
圖 1. 用于驅動 BLDC 電機相位的典型橋式電路
對于 BLDC 驅動等開關應用應考慮的另一個重要參數是零溫度系數 （ZTC） 點。如圖 2 所示，這是傳輸曲線上的一個點（漏極電流，［ID］，與柵源電壓，［VGS］）。在該點以下運行器件會導致漏極電流為正溫度系數，而在該點以上運行器件會導致漏極電流為負溫度系數。圖 2a 顯示了低密度平面 MOSFET （ ZXM61N03F ） 的傳輸特性，圖 2b 顯示了高密度平面 MOSFET （ ZXMN3A01E6 ） 的傳輸特性）。通常，建議在負溫度系數區域運行設備。圖 2b 中的器件利用更大的溝槽密度來增加通道中垂直電流流動路徑的數量。這具有降低 Rds（on） 的積極作用，盡管也會導致更高的 ZTC 點。
圖 2a（左）。低密度平面 MOSFET ZXM61N03F
圖 2b（右）。高密度溝槽MOSFET ZXMN3A01E6
對于給定尺寸，N 溝道 MOSFET 通常具有等效 P 溝道器件的一半 Rds（on），因此在電機驅動應用中通常指定 N 溝道 MOSFET。圖 3 顯示了使用 N 溝道 MOSFET 的全橋電機驅動電路的五個階段。同樣重要的是要注意，由于 MOSFET 的體二極管，此類電路會受到反向恢復電流的影響。能夠最小化死區時間的 PWM 算法可以減少這些影響，同時還建議指定具有快速恢復并聯二極管的 MOSFET。
圖 3. 顯示換向序列和體二極管恢復相關擊穿的電路
結論
汽車 OEM 越來越多地指定無刷直流電機。它們提供更高的效率、更高的可靠性和更多功能的控制，包括更換機械泵和風扇。
驅動 BLDC 需要將用于控制的高級 MCU 與適當指定的 MOSFET 相結合以提供電力。熱管理是良好設計的核心，這延伸到了解如何使用正確的 MOSFET 設計最好地滿足 BLDC 驅動電路的獨特要求。
通過了解和評估相關參數，工程師可以為任務選擇正確的 MOSFET，即使在最惡劣的環境中也能確保最高的可靠性和效率。
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