新能源汽車48V車身電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)級解決方案詳解

背景介紹

智能化和電動化是新能源汽車發(fā)展的重要方向，其對電能的需求也越來越高。除此之外，因為電池的重量，整個車比純?nèi)加推嚫?，這使設(shè)計者不得不增加車身執(zhí)行器的功率來提供更大的扭矩。但傳統(tǒng)的12V電池受限于電流和電池電量等原因，不能為整車提供無限大的電流。所以如同整車低壓供電電壓升到12V一樣，它還在繼續(xù)往上升，邁向48V，從而為整車提供更大的功率輸出和更高的能效。故越來越多的汽車廠家開始關(guān)注48V系統(tǒng)執(zhí)行器的驅(qū)動。

系統(tǒng)拓?fù)鋱D

為此，英飛凌在多年前開始布局研發(fā)48V的相關(guān)芯片?？紤]到目前成熟的針對12V BLDC高性價比控制平臺MOTIX^TM MCU，英飛凌開發(fā)了level shift 芯片TLE9140。它也是gate driver器件，相當(dāng)于直接替換了12V BLDC電機(jī)控制高集成芯片TLE987x和TLE989x的gate driver 部分，從而使他可以上升到48V BLDC電機(jī)驅(qū)動。該方案的另一個好處是客戶可以復(fù)用他們成熟的12V BLDC電機(jī)控制平臺，降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，一個平臺兼容12V，24V和48V電機(jī)驅(qū)動。

MOTIX^TM MCU

MOTIX^TM MCU系列屬于SoC (System on Chip) 級產(chǎn)品，集成了MCU，LDO，gate driver，電流采樣和LIN收發(fā)器等模塊。針對BLDC電機(jī)控制，推薦TLE987x和TLE989x系列，其內(nèi)部框圖如下所示，前者是針對LIN通信方案，后者是針對CAN通信方案。詳細(xì)的信息和文檔，可以在英飛凌官網(wǎng)搜索TLE987x/TLE989x，或者直接訪問：www.infineon.com/tle987x或者www.infineon.com/tle989x。

TLE987x內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

TLE989x內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

48V系統(tǒng)Gate Driver

TLE9140是專門針對48V BLDC電機(jī)驅(qū)動設(shè)計的gate driver芯片，同時兼容24V系統(tǒng)，可以支持功能安全ASIL B級別應(yīng)用。除此之外，設(shè)計上考慮了匹配英飛凌MOTIX^TM MCU。其耐壓高達(dá)100V，驅(qū)動能力高達(dá)230nC，最大驅(qū)動頻率25kHz。先進(jìn)的電流型gate driver可以幫助用戶通過修改寄存器配置，從而非常方便地修正驅(qū)動波形，以匹配不同的MOSFET，無需修改硬件。除此之外，支持過壓，欠壓，過溫，短路，開路，輸入錯誤等故障檢測。還配備了窗式看門狗，進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全性，確保軟件死機(jī)的情況下，及時關(guān)斷輸出。16位SPI通信配置控制寄存器和通過狀態(tài)寄存器獲取芯片當(dāng)前狀態(tài)和故障。詳細(xì)信息可以訪問英飛凌官網(wǎng): www.infineon.com 并搜索“TLE9140”。

TLE9140內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

48V系統(tǒng)MOSFET

功率器件部分，英飛凌有非常全面的MOSFET的選擇。在OptiMOS^TM 5的基礎(chǔ)上研發(fā)了新一代OptiMOS^TM 7 溝槽MOSFET。針對48V應(yīng)用，可提供80V和100V 兩個電壓等級。新一代OptiMOS^TM 7的MOSFET采用尖端的雙多晶硅溝槽技術(shù)以及業(yè)界領(lǐng)先的300mm薄晶圓技術(shù)與生產(chǎn)，如下圖所示，80V和100V的MOSFET導(dǎo)通電阻相比于前一代有40%的降低，遵循了英飛凌低R_DSON ,低導(dǎo)通損耗的發(fā)展宗旨。除此之外，新一代技術(shù)的MOSFET 具有更小的門極充電電荷，開關(guān)速度更快，降低了開關(guān)損耗。這兩大特點在電機(jī)驅(qū)動的應(yīng)用中優(yōu)勢較為明顯。

英飛凌OptiMOS^TM 7也遵循明確的封裝策略，將無引腳封裝結(jié)合銅夾技術(shù)推向市場，為滿足48V電機(jī)驅(qū)動的應(yīng)用，80V和100V MOSFET包括了市場電機(jī)驅(qū)動需要的熱門封裝：除了S3O8, SSO8單MOSFET, STOLL，TOLL封裝，另外還有100V SSO8雙MOSFET, 不同的封裝，不同的導(dǎo)通電阻，不同的電壓等級可以適用于幾十瓦到幾千瓦不同的功率等級，完美地滿足了客戶的各類需求。具體選型表可以訪問英飛凌官網(wǎng)，并搜索“Automotive MOSFET”。

角度傳感器

雖然無傳感器控制，可以幫助客戶在有些應(yīng)用降低成本，例如水泵和冷卻風(fēng)扇。但在一些應(yīng)用中，為了更精準(zhǔn)的控制，客戶會用到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器，例如油泵。英飛凌位置傳感器主要包括霍爾開關(guān)和磁阻角度傳感器。

霍爾開關(guān)的產(chǎn)品系列中，我們既為電池供電的設(shè)計提供了過壓能力高達(dá)42V（不加外部電阻的情況下），支持32V供電的TLE4961/TLE4964/TLE4968系列；也為EMC工況較好的設(shè)計提供了高性價比5V供電的TLE4963/TLE4965系列。用戶可以根據(jù)實際系統(tǒng)設(shè)計和磁場需求選擇合適的型號。詳細(xì)信息可以訪問英飛凌官網(wǎng)，并搜索“magnetic switch”。

英飛凌霍爾開關(guān)和鎖存器的產(chǎn)品序列

英飛凌還提供了各種基于磁阻效應(yīng)（GMR，AMR，TMR）的角度傳感器。我們既提供了計算完角度直接輸出數(shù)字量信號的傳感器TLE5012B/TLE5014，也提供了輸出sin/cos信號的模擬量輸出的傳感器TLE5x09/TLE5501。對于精度的改善，TLE5012B內(nèi)部帶自校準(zhǔn)算法；TLE5014內(nèi)部帶32點查找表補(bǔ)償；TLE5x09和TLE5501的補(bǔ)償算法可以集成在客戶的MCU內(nèi)，從而降低系統(tǒng)成本和實現(xiàn)更高的精度?？蛻艨梢愿鶕?jù)實際需求選擇合適的產(chǎn)品，詳細(xì)信息可以訪問英飛凌官網(wǎng)，并搜索“angle sensor”。

英飛凌基于磁阻效應(yīng)的角度傳感器搭配磁鐵的位置關(guān)系

英飛凌基于磁阻效應(yīng)的汽車級角度傳感器的產(chǎn)品序列

評估板及系統(tǒng)方案驗證

針對本文介紹的48V車身電機(jī)系統(tǒng)級驅(qū)動方案，英飛凌開發(fā)了對應(yīng)的評估板，實物圖如下所示。詳細(xì)信息可以訪問英飛凌官網(wǎng)，搜索：TLE9140EQW EVAL。

我們基于該評估板，在電機(jī)測試臺架上，進(jìn)行加載，運(yùn)行，做了初步測試，視頻如下：