具有功能安全特點(diǎn)的EPS電控系統(tǒng)方案(下)

接上期
2)功率電路
EPS系統(tǒng)的功率電路主要實(shí)現(xiàn)三部分功能。一，由6個(gè) N-MOSFET組成的三相逆變?nèi)珮虻哪孀児δ?；二，由串?lián)在 三相橋上方的N-MOSFET實(shí)現(xiàn)的電池反接保護(hù)功能；三，執(zhí) 行功能安全關(guān)斷輸出命令的相切斷功能。
總的來(lái)說(shuō)，功率電路首要考慮的是可靠性和效率。
先說(shuō)效率，除精細(xì)的FOC電機(jī)控制方法外，MOSFET 器件本身是效率的另一個(gè)決定因素。好的MOSFET意味著 更低的RDS(ON)、更低的開(kāi)關(guān)損耗，功率電路才可能有更高 的效率。EPS系統(tǒng)功率從300W到幾千瓦不等，對(duì)MOSFET 的電流跨度要求也很大。 圖7方案里40V的Infineon汽車(chē)級(jí) N-MOSFET完全能滿(mǎn)足這個(gè)功率范圍的不同需求，并且有著 業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗。
可靠性針對(duì)不同功能涉及的內(nèi)容也不同。對(duì)于三相逆 變?nèi)珮騺?lái)說(shuō)，因其工作原理非常成熟，所以這部分的可靠性 主要受制于系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、PCB布局走線、電磁兼容EMC以 及熱設(shè)計(jì)等相關(guān)的設(shè)計(jì)能力。英飛凌北京汽車(chē)系統(tǒng)工程部在 這幾方面積累了多年的經(jīng)驗(yàn)，尤其是在用單層鋁基板實(shí)現(xiàn)方 式上有著非常成熟的方案。
對(duì)于串聯(lián)在三相橋上方的N-MOSFET的電池反接保護(hù)
功能，由于實(shí)現(xiàn)比較容易，所以其可靠性主要體現(xiàn)在原理層 面。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)防反N-MOSFET需要一個(gè)上浮的門(mén)極驅(qū) 動(dòng)電源和一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。門(mén)極驅(qū)動(dòng)電源來(lái)自TLE9180的 上管驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用電源管腳。開(kāi)關(guān)控制信號(hào)一般由MCU的一個(gè) 普通I/O管腳產(chǎn)生即可。當(dāng)電池極性正常連接時(shí)，TLE9180 的上管驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用電源正常工作，MCU控制I/O管腳將門(mén)極 驅(qū)動(dòng)電源輸出給防反N-MOSFET的門(mén)極，防反N-MOSFET 導(dǎo) 通 并 一 直 維 持 導(dǎo) 通 狀 態(tài) 。 一 旦 電 池 極 性 接 反 后 ， 由 于 TLE9180沒(méi)有正常供電，不能產(chǎn)生上管驅(qū)動(dòng)電源，因而防反N-MOSFET門(mén)極沒(méi)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，呈關(guān)閉狀態(tài)。
下面重點(diǎn)介紹相切斷單元。首先要說(shuō)明使用相切斷單 元的背景及原因。傳統(tǒng)的EPS配有電磁離合器，裝在減速機(jī) 構(gòu)與電機(jī)之間，作用是保證EPS系統(tǒng)只在設(shè)定的行駛車(chē)速范 圍內(nèi)起作用。當(dāng)車(chē)速達(dá)到界限值時(shí)，離合器分離，電機(jī)停止 工作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為手動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。另外，當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障 時(shí)，離合器將自動(dòng)分離。而新一代的EPS已經(jīng)取消電磁離合 器，因?yàn)槠?chē)高速時(shí)，仍需電機(jī)提供阻尼，實(shí)現(xiàn)高速時(shí)的沉 穩(wěn)感。另外，因電機(jī)軸承故障而卡住電機(jī)輸出軸的概率遠(yuǎn) 比EPS電控逆變電路出故障而短路相繞組的概率低，所以目 前的主流技術(shù)只考慮發(fā)生故障時(shí)用電子開(kāi)關(guān)EPS電控功率電 路和電機(jī)。早期機(jī)械繼電器切斷功率電路和電機(jī)，但因其 體積大、成本高、抗震差等缺點(diǎn)而被淘汰。取而代之的是 MOSFET。
用MOSFET實(shí)現(xiàn)相切斷功能有幾個(gè)棘手的問(wèn)題。1. 其所 處的電路位置造成很難有續(xù)流回路。2. 相切斷MOSFET關(guān)斷 時(shí)的關(guān)斷電流通常都是故障電流，其值比較大，通常會(huì)超過(guò)
100A。3. 關(guān)斷時(shí)的故障電流的上升速率不可預(yù)知。di/dt有 時(shí)會(huì)很高，尤其是在轉(zhuǎn)子位置和導(dǎo)通的MOSFET嚴(yán)重不匹配
時(shí)。
所以，要實(shí)現(xiàn)相切斷MOSFET單元真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用， 必須要解決幾個(gè)問(wèn)題。1. 提供3個(gè)相切斷MOSFET在關(guān)斷后 的電機(jī)電感續(xù)流回路；2. 要有適當(dāng)?shù)牟呗?、方法和必要的?路來(lái)可靠關(guān)斷故障電流。
3)外圍傳感器 采用三相PMSM或BLDC電機(jī)實(shí)現(xiàn)的EPS系統(tǒng)需要三類(lèi)
傳感器。第一類(lèi)是三相PMSM或BLDC電機(jī)控制用的轉(zhuǎn)子位 置傳感器；第二類(lèi)是EPS方向盤(pán)扭矩傳感器；第三類(lèi)是EPS 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器。這三類(lèi)都是EPS系統(tǒng)涉及功能安全的關(guān) 鍵元器件。功能安全對(duì)關(guān)鍵輸入信號(hào)的基本要求是要有冗余
備份。
(a)三相PMSM或BLDC電機(jī)控制用的轉(zhuǎn)子位置傳感器 為實(shí)現(xiàn)三相PMSM或BLDC電機(jī)扭矩的精準(zhǔn)控制和減小
扭矩波動(dòng)，主流技術(shù)是采用FOC磁場(chǎng)定向控制方法。為實(shí)現(xiàn) FOC控制需要知道實(shí)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的角度信號(hào)，即 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。主流的轉(zhuǎn)子位置傳感器有兩種：帶霍爾的增 量編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。相較于Infineon的巨磁阻效應(yīng)的兩 類(lèi)傳感器TLE5309D和TLE5012BD，旋轉(zhuǎn)變壓器和帶霍爾的 增量編碼器價(jià)格貴很多。圖7給出的方案是用戶(hù)在這4種傳感 器中任選兩個(gè)作為一個(gè)組合用于功能安全的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。 TLE5309D是Infineon應(yīng)ISO26262的要求專(zhuān)門(mén)為EPS系統(tǒng) 應(yīng)用設(shè)計(jì)的Dual-sensor封裝的角度傳感器芯片。Dual-sensor 封裝技術(shù)是將兩個(gè)完全獨(dú)立的傳感器芯片集成在一個(gè)塑封封 裝里，既實(shí)現(xiàn)了冗余又減小了體積。TLE5309D內(nèi)部晶圓上 面集成了一個(gè)GMR(巨磁阻效應(yīng))傳感器芯片，晶圓下面集 成了一個(gè)AMR(異向性磁阻效應(yīng))傳感器芯片。每個(gè)芯片的輸 出信號(hào)都是兩路差分模擬信號(hào)。AMR和GMR芯片輸出的角 度精度分別是0.1和0.6度。TLE5309D的特點(diǎn)是速度更快、精
度更高。
TLE5012BD角度傳感器芯片也是Infineon應(yīng)ISO26262的 要求專(zhuān)門(mén)為EPS系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的Dual-sensor封裝的角度傳感 器芯片。不同的是在TLE5012BD內(nèi)部晶圓上下分別集成了兩 個(gè)完全一樣，且完全獨(dú)立的GMR芯片。輸出形式也不同，有三線SPI、增量編碼器協(xié)議、PWM協(xié)議、霍爾協(xié)議等幾種
不同協(xié)議的組合。TLE5012BD的特點(diǎn)是輸出協(xié)議方便、靈 活、通用化，并且是數(shù)字信號(hào)輸出。
(b)EPS方向盤(pán)扭矩傳感器
T L E 4 9 9 8 x 8 D 系 列 線 性 霍 爾 傳 感 器 芯 片 是 In f i n eo n 應(yīng) ISO26262的要求專(zhuān)門(mén)為EPS系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的Dual-sensor封裝 的方向盤(pán)扭矩傳感器芯片。TLE4998x芯片內(nèi)部集成了數(shù)字 信號(hào)處理器，將模擬的扭矩信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并以常用 的SENT(Single Edge Nibble Transmission)和PWM通訊協(xié)議輸 出。因?yàn)閮?nèi)部集成了兩個(gè)完全一樣的TLE4998x芯片，如果 不需要更多的冗余備份的話，一片TLE4998x8D就能滿(mǎn)足EPS 扭矩傳感器的要求。
(c)EPS方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器
TLE5012BD角度傳感器芯片也能用于方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感 器。如前所述，一片TLE5012BD就能滿(mǎn)足EPS方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳 感器的需求。

5  結(jié)束語(yǔ)
隨著電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS的逐漸普及，EPS的安全要求也 越來(lái)越高。本文從功能安全的視角介紹了英飛凌的EPS電控 系統(tǒng)解決方案，由此可見(jiàn)，英飛凌不僅能提供具有功能安全 特點(diǎn)的一攬子芯片，同時(shí)還有能力提供EPS系統(tǒng)級(jí)的技術(shù)支 持。