12V和48V系统通用驱动器平台简化电动汽车启动发电机设计

日期:2021-02-10

皮带式启动发电机是混合动力(HEV)和电动汽车(EV)系统的重要组成部分
 
作者:Allegro MicroSystems策略市场经理Dan Jacques
 
在电动汽车架构中,启动发电机(Starter generator)系统扮演着多种角色。它们既负责启动发动机,向发动机提供电气升压,也可在减速或惯性行驶期间产生充电电压,从而减少机械制动系统磨损,同时提高系统整体效率。
不论启动发电机的结构或位置如何,这些系统已被证明是汽车电气化不可或缺的组成部分。启动发电机可部署在汽车内的多个位置,图1显示了启动发电机在系统中的重要位置。 P0和P1位置通常低于20kW。 P0系统最易于实施,需要更少的重新设计,且具有更高的性价比,因而也最为常见。 P1位置具有类似的好处,同时消除了皮带传输损耗,从而提高了性能并减少了磨损。
 

1:电动汽车中的启动发电机和eBoost位置。
 
启动发电机电路实现
启动发电机系统由多个电气和机械组件组成。逆变器可提供电气升压和DC-DC转换器,并以能量收集模式将马达中的机械能转换为电能。该系统还负责提供怠速停车时系统曲柄位置以及冷启动所需的高启动扭矩。
在机械层面,启动发电机包括:连接到三相逆变器的定子,以及使直流电流经过滑环和电刷流经转子绕组并产生磁场的转子。使用永磁电机的较新设计可以不再需要励磁线圈,但是由于在故障情况下无法关闭磁化强度,这种方法也存在其他层面的安全挑战。图2所示为一个典型的五相电机电路实现。
 

2:五相启动发电机驱动示例。
 
12V48V系统通用驱动器
12V和48V电源轨都使用皮带式驱动启动发电机(BSG)系统, 12V BSG系统无法达到类似于48V启动发电机的功率水平。通常,12V系统限制为功率不超过10kW,而48V系统可以产生高达25kW甚至更高功率。随着功率增大,对栅极驱动器的要求也随之增加。对于12V和48V电池系统的P0 / P1位置,使用通用架构具有很大优势,可以避免使用任何其他组件或进行重新设计。使用通用架构还可缩短设计时间,减低物料清单(BOM)成本,并为12V和48V系统中的BSG系统提供单一平台。
例如,Allegro MicroSystems的半桥栅极驱动器AMT49502可以在5.5~80V电压范围内工作,因而是在12V或48V电压下运行BSG应用的多功能平台,该器件的电荷泵稳压器能够为两个N沟道MOSFET提供栅极驱动。图3给出了半桥设计的功能框图,系统只需一个电源供电,所有内部逻辑都由电荷泵稳压器驱动的片上逻辑电源稳压器创建。该稳压器负责为浮置自举电容器提供11V稳压,以确保即便电池电压为5.5V时,高侧MOSFET栅极电压也为11V。电荷泵稳压器还提供内部逻辑,从而降低了芯片整体功耗。对于在无需降压稳压器的48V系统运行,最大限度地降低功耗是系统的关键。此外,一个小型集成式电荷泵负责以100%占空比保持高侧开关。
集成的高性能电流检测放大器可测量通过低侧电流分流器的电流,从而使各个相电流都能反馈给微处理器。三相逆变器中各相独立的电流检测可实现冗余的完全磁场定向控制(FOC)。使用逻辑输入以及辅助ENABLE输入可以独立地控制每个MOSFET,因而提供了一条独立路径来禁用电桥或激活睡眠模式。一个串行外围接口(SPI)端口可用于读取诊断和设置功能参数。
 

3AMT49502栅极驱动器功能框图。
 
专为苛刻应用环境而设计
启动发电机系统会在逆变器桥产生高压。在发电机模式下,逆变器目的是将三相电流转换为直流电压和电流,以便为12V或48V电池系统充电。最终,发电机产生的电压是基于转速。对于逆变器桥来说,非常重要的一点是要承受高速旋转以及驱动模式和发电机模式转换期间产生的电压瞬态。栅极驱动器必须非常牢固,能够应对系统中存在的高电流和瞬态电压。如果使用特别设计的栅极驱动器来抵抗这些瞬态,开发人员可以节省宝贵的设计时间,并最大程度地减小了添加高压钳位来保护系统的额外成本。当高侧MOSFET在发电机模式下关闭时,电桥上的电压瞬态会在低侧驱动器上产生大于5V的负电压,并在相位节点产生大于10V的电压。相对于相位节点,AMT49502栅极驱动器在低侧栅极可以承受-8V,在高侧驱动可以承受-18V,如图4所示。强大的瞬态性能和智能控制算法组合可以确保即便是大功率系统也不会损坏逆变器。
 

448V架构系统的典型瞬态性能。

电动汽车组件必须足够坚固,以应对负电压瞬态,并满足制造商的电磁辐射要求。启动发电机逆变器需要快速开关以保持较高效率,同时尽可能减少排放。它们还必须限制电磁辐射的强度,以满足严格的OEM要求。
为了实现高效率和低电磁辐射之间最佳的平衡,AMT49502驱动器采用了分段可编程(piecewise programmable)电流栅驱动拓扑架构,能够允许控制系统中所有MOSFET的导通和关断。 MOSFET的关断至导通以及导通至关断转换如图5所示进行控制,所有参数都通过SPI端口进行编程。当一个栅极驱动器接收导通指令时,在高侧或低侧栅极端接上产生电流I1,并持续时间t1。由于在此期间漏-源电压不变,通常应将这些参数设置为将MOSFET输入电容尽快充电至Miller区域的起点。此后,在MOSFET通过Miller区域并达到完全导通状态时,在栅极高侧(GH)或低侧(GL)上提供的电流设置为I2, 并保持在该值。
MOSFET导通至关断转换如图5所示。当栅极驱动器接收指令关断时,高侧或低侧栅极端子会吸入电流I1,持续时间t1。因为在此期间漏-源电压不变,通常应如此设置这些参数,以使MOSFET输入电容快速放电到Miller区域起点。此后,在MOSFET通过Miller区域并达到完全截止状态时,由高侧或低侧栅极端子吸收的电流设置为I2,并保持在该值。
 

5:分段可编程栅极驱动器描述。

对MOSFET开关的完全控制可提高效率并降低电磁干扰。如果减少死区时间和MOSFET达到其Vt所需时间,可以最大限度地减少高侧和低侧MOSFET的开关时间,从而提高逆变器性能,并改进正弦电流的保真度。Miller区域中的可编程电流控制了MOSFET摆率,从而能够限制辐射,同时保持了高效的开关时间。
经过ASIL D认证的Allegro A49100三相栅极驱动器可用于纯48V系统。集成式三相驱动器可以缩小封装,从而实现更小的系统设计。 A49100还可提供附加的诊断功能,并能够通过内置测试电路来验证每个诊断功能。对于单驱动器设计,此项附加诊断和验证功能可提供一定程度的功能安全性,能够将各种故障通知发动机控制单元(ECU)。
许多48V设计可能会极大地受益于这种超小型栅极驱动器。例如,采用3 mm×3 mm DFN封装的10~100V A89500半桥栅极驱动器非常小巧,可以减小整个印刷电路板(PCB)占用的空间。该器件可用于磁励线圈驱动器,以及具有适当安全分析功能的逆变器。A89500可直接由8~13V栅极电源供电,并且场效应晶体管(FET)桥可直接连至48V电池。有关详细信息,请参见图6。
 

6A89500栅极驱动器功能框图和封装。
 
安全性设计
启动发电机故障会导致锂离子电池组过度充电,如果电池短路,可能会造成危险事故。因此,启动发电机电路必须符合ISO 26262标准,通常需要“ B”级认证。例如,当发电机仍在高速旋转时,逆变器桥中的故障会导致出现过度充电。在五相系统中,一种解决方案是通过禁用励磁线圈驱动器来有效去除转子上的磁场,要实现该目的,产品设计对于开发故障安全系统至关重要。如果此系统中的栅极驱动器达到了安全性设计要求,上述解决方案则更容易实现。例如,AMT49502是根据ISO 26262认证的开发流程而设计,并已通过ASIL B认证。
每个半桥驱动器均具有一套包含将近二十种的高级诊断功能,其中有负载突降检测、MOSFET短路保护、栅极驱动器欠压、桥电源过压、温度警告和其他状况。 IC诊断则能够为系统控制器提供必要的信息,以监控系统运行,并就需要采取的措施做出决策,以确保更加安全的系统运行。图7显示了AMT49502栅极驱动器所支持的诊断功能。
 

7AMT89502半桥栅极驱动器的诊断功能。

结论
由于BSG系统易于实施,与现有的交流电机系统大小相似,并且省去了对动力总成的重大修改(在P2~P4位置),因此BSG系统在混合动力电机控制设计中变得越来越普遍。随着启动发电机系统的不断发展,未来的进一步集成可能会随时间而影响BSG的作用。展望未来,48V系统可能会在P3 ~P4位置占据主导地位。
随着电气技术的变革不断影响汽车行业,电气化产品在汽车中会获得越来越多市场份额,而12V解决方案将为更高电池电压所替代。针对12V和48V系统而设计的通用平台将简化48V解决方案的设计,并使12V向48V系统过渡更加容易。启动发电机系统还将受益于行业领先的安全诊断,独立电桥控制和电流感测所提供的冗余,以及强大的瞬态性能。
 
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