汽車應用中的電機驅動AUIR3330S的設計實例

在汽車中，水泵、油泵和助力轉向泵這些負載仍由發(fā)動機直接驅動，采用電機驅動這些負載，可大大簡化機械設計，無需采用皮帶和轉輪，同時節(jié)省發(fā)動機艙內(nèi)空間。AUIR3330S提供了一個可以全速范圍驅動任何類型電機的解決方案，其主動di/dt 控制實現(xiàn)了EMI及開關損耗性能的優(yōu)化。

電機的采用

我們需要追溯至多年前，回顧那段車輛不使用電機的時期。那個時候，車輛是通過手搖曲柄進行發(fā)動的，發(fā)動機冷卻風扇和雨刷器與發(fā)動機進行機械連接。電機與內(nèi)燃機迅速結合在一起，這種結合最初主要是出于舒適度方面的考慮。這些電機都是低功率電機(100W )，通常只需要一個簡單的繼電器驅動負載，它們是提升系統(tǒng)效率和性能的最佳選擇。隨著電機開始投入安全應用，例如防抱死制動系統(tǒng)和牽引力控制系統(tǒng)，電機需要更加可靠的驅動系統(tǒng)。

然而，最近，汽車工業(yè)將注意力轉向了降低油耗。綠色交通的壓力已經(jīng)迫使工程師盡可能為車輛找到智能、有效的解決方案。電機在由智能電子設備驅動的情況下，能夠實現(xiàn)卓越性能。電子解決方案尤其適用于高功率電機(>100W)。盡管現(xiàn)代汽車中的發(fā)動機冷卻裝置和鼓風機現(xiàn)在都采用電子功率控制，但電機的應用范圍仍然很廣。汽車中的許多功能依然使用與內(nèi)燃機連接的機械系統(tǒng)。電子控制能夠在效率方面帶來顯著的改善，水泵和油泵就是很好的例子。利用電氣控制方式，功率能有效傳輸給電機，使電機在任何時候都能夠準確地滿足功率需求。

變頻技術為汽車領域帶來重大機遇

車輛發(fā)動機冷卻裝置和鼓風機應用變頻電機控制是最新的一個創(chuàng)舉。老款車型的發(fā)動機冷卻裝置和鼓風機都使用由電阻器和繼電器構成的轉速控制系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)，電機的轉速被限制為幾個離散值。實現(xiàn)任何轉速值都需要一個電阻器與電機串聯(lián)。電機的轉速不能針對功率需求實現(xiàn)最優(yōu)化，因而這一解決方案的性能極低。導致大多數(shù)情況下典型效率低于50%.

電力電子技術的最新發(fā)展使變頻電機控制成為許多應用的首選解決方案。使用變頻控制，在整個負載范圍內(nèi)能夠實現(xiàn)高于90%的典型系統(tǒng)效率。以典型的400W發(fā)動機冷卻風扇為例，在典型負載周期內(nèi)，采用電子控制器的功耗比電阻風扇控制器少100W。節(jié)省的這100W功率相當于每100km的燃料消耗量約減少0.1L。

圖1:典型的400W發(fā)動機冷卻風扇

采用PWM控制技術驅動電機所面臨的挑戰(zhàn)是要符合EMI要求。在20 kHz時，系統(tǒng)會在電池側產(chǎn)生噪聲。接通和關斷期間的電流斜率di/dt是EMI的主要來源。為了符合EMI要求，必須在電池和逆變器之間連接一個無源濾波器。這一濾波器通常由兩個大電容和一個電感組成。濾波器的成本是整個系統(tǒng)的一項重要成本。在使用MOSFET 的簡單系統(tǒng)中，減小di/dt 的唯一方法就是在柵極插入一個電阻器以減緩開關速度。這樣做會大大增加開關損耗，降低系統(tǒng)效率，并且需要加大散熱器的尺寸。在這樣的系統(tǒng)中，需要權衡EMI濾波器和散熱器的尺寸。

AUIR3330S針對輸出采用專有di/dt 控制，以減少電池板的傳導輻射。這種主動di/dt 控制實現(xiàn)了EMI及開關損耗性能方面的優(yōu)化，不必再受制于EMI濾波器和散熱器的尺寸權衡。這一特征的實現(xiàn)需要在MOSFET中形成特定的柵極，使用分立元件是無法實現(xiàn)的。對于帶有驅動器的MOSFET一般應用而言，開關時間的控制是通過使用柵極電阻控制驅動電流實現(xiàn)的。此外，AUIR3330S提供了一個可以全速范圍驅動任何類型電機的解決方案。高集成度使設計師能夠設計一個緊湊的解決方案。只需利用很少的外部組件，就可快速實現(xiàn)全速范圍設計。主動di/dt控制

接通過程中，驅動器會應用大電流以便盡快達到MOSFET閾值。電流開始流入MOSFET時，柵電流降低以限制di/dt.當漏-源電壓開始下降時，柵電流升高以限制開關損耗。與電阻器驅動的MOSFET相比，di/dt階段開關損耗相同，但是在dv/dt階段開關損耗要低很多。因此，在相同EMI水平下，AUIR3330S的功耗低得多，只需要一個較小的散熱器。主動di/dt控制需要一個復雜的驅動器，能夠在開關不同階段采用不同的柵電流。AUIR3330S還包含了用于檢測di/dt和dv/dt階段的智能電路。