采用氮化鎵IC的電動助力轉(zhuǎn)向

在現(xiàn)代汽車中，增加的重量和更寬的前輪胎使無輔助轉(zhuǎn)向變得不切實際，因為對操作員的阻力增加。因此，幾年前，采用了電動助力轉(zhuǎn)向。一開始，對駕駛員的輔助是通過液壓系統(tǒng)完成的，并且始終運行的泵用于為回路中使用的液體提供必要的壓力。然而，政府呼吁減少排放，要求汽車制造商轉(zhuǎn)向電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）。

  使用EPS，液壓系統(tǒng)被電動機取代，該電動機僅在需要時為駕駛員提供幫助。其數(shù)字輔助控制可以在線修改以適應駕駛條件。但是，有幾個設計約束需要考慮。一個是駕駛員不想缺少輪胎的觸覺反饋，尤其是當車輛很大時，例如卡車。其它限制由安全法規(guī)決定，特別是對于自動駕駛車。這些限制要求采用高效、準確和冗余的系統(tǒng)。氮化鎵技術(shù)在所有這些領域為設計人員提供幫助。

不同類型的EPS

      EPS降低了能耗，因為它僅在駕駛員驅(qū)動方向盤時才提供輔助。EPS的一個缺點是模仿“傳統(tǒng)”液壓動力轉(zhuǎn)向的觸覺具有挑戰(zhàn)性。EPS的工作原理很簡單：轉(zhuǎn)向柱上有傳感器來檢測轉(zhuǎn)向角和扭矩，電子控制單元（ECU）分析信號并確定所需的輔助量，安裝在轉(zhuǎn)向柱或齒條上的電動機根據(jù)ECU的指令驅(qū)動輔助力。根據(jù)驅(qū)動機構(gòu)的不同，幾種類型的EPS廣泛用于量產(chǎn)車。在本文中，我們將看看其中的一些。

  柱式EPS（圖1）廣泛用于小型經(jīng)濟型車輛。在柱式EPS中，電機安裝在轉(zhuǎn)向柱上，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低。由于電機位于儀表板內(nèi)部，因此不會受到水和極端溫度的影響;因此，可以進一步降低生產(chǎn)成本。電機安裝在轉(zhuǎn)向軸的頂部，增加了慣性和摩擦力，但消除了駕駛員的觸覺反饋。

圖1：柱式EPS。輔助電機位于紅色框內(nèi)。

  平行軸EPS（圖2）將電機安裝在輪胎之間的齒條中。施工方法決定了成本和駕駛員在駕駛時的“感覺”。平行軸EPS更昂貴，但它也更準確，并且已被提供自動駕駛輔助的汽車采用。

圖2：平行軸EPS。電機軸與紅色盒子內(nèi)的機架平行。

  扭矩和位置傳感器位于方向盤和齒條中。電機通過皮帶和循環(huán)球齒輪箱直接連接到齒條，提供4：1的轉(zhuǎn)換比。出于安全原因，也根據(jù)車輛尺寸，電機繞組和逆變器是冗余的，即使在部分系統(tǒng)故障的情況下也能獲得幫助。由于該系統(tǒng)用于自動駕駛系統(tǒng)，因此電機控制精度至關重要。

  線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（圖3）可以消除轉(zhuǎn)向柱以及方向盤和轉(zhuǎn)向器之間的機械連接。車輛方向盤上的傳感器感應每個旋轉(zhuǎn)運動。與平行軸EPS一樣，齒條轉(zhuǎn)向器上的電動機產(chǎn)生傳遞到拉桿的力。方向盤上的另一個電動機產(chǎn)生駕駛員熟悉的觸覺反饋，這些反饋來自傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以通過電子方式進行調(diào)整，以適應駕駛員的偏好。它已成為大型車輛（如農(nóng)業(yè)機械和卡車）中必不可少的。

圖3：線控轉(zhuǎn)向就緒系統(tǒng)。紅色盒子里有兩個電機。

EPS逆變器說明

  控制連接到EPS機架的電機的電子部分包括至少兩個提供冗余的逆變器。電機有三相、六相或九相，具體取決于車輛，每三相都有一個逆變器。在單個三相電機的情況下，至少有兩個逆變器。在最先進的系統(tǒng)中，使用傳統(tǒng)的磁場定向控制（FOC）技術(shù)在沒有傳感器的情況下控制電機。在先進的駕駛輔助系統(tǒng)中，需要零速時的精確扭矩控制，并且通過高頻注入（HFI）算法獲得。逆變器的框圖如圖4所示。

圖4：采用高頻注入的無傳感器磁場定向控制

  如圖4所示，在方向盤上使用類似的無冗余系統(tǒng)，用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的觸覺反饋。在所有這些情況下，氮化鎵技術(shù)有助于提高效率，減小尺寸并確保與傳統(tǒng)硅器件相比的高控制精度，從而提供更高的性能和更安全的駕駛體驗。

氮化鎵場效應晶體管和IC有利于逆變器和電機

  氮化鎵器件是功率轉(zhuǎn)換領域的領先創(chuàng)新。GaN基逆變器的優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢在電機驅(qū)動應用中變得越來越明顯。¹與硅MOSFET相比，GaN FET的開關速度更快，同時浪費的開關能量更少。此外，GaN FET每平方毫米面積的導通電阻較低，這有助于縮小芯片尺寸并提高轉(zhuǎn)換器的功率密度。

  與分立式等效電路相比，使用GaN單片集成電路（IC）進行功率轉(zhuǎn)換具有更多優(yōu)勢。由于柵極驅(qū)動器和功率器件集成在同一芯片上，因此基本上消除了柵極環(huán)路電感。功率器件之間的短路徑也降低了高端器件的共源電感。此外，由于采用芯片級封裝，功率環(huán)路電感被最小化。電路的整體尺寸減小，因為不需要外部柵極驅(qū)動器。使用LGA和QFN封裝簡化了將器件連接到散熱器的過程，從而增強了從結(jié)點到環(huán)境溫度的熱阻。

  最近，EPC推出了其基于ePower平臺的EPC23102，²它結(jié)合了前面描述的所有功能。EPC23102的額定電壓100V，能夠以1MHz開關頻率向負載提供35A連續(xù)電流。集成功率FET的典型導通電阻為6.6mΩ。外部5V電源偏置內(nèi)部電路，輸入邏輯與3.3V和5V CMOS 技術(shù)兼容。外部電阻可調(diào)整開關轉(zhuǎn)換，因此設計人員可以在上升和下降時間與過壓尖峰和振鈴之間定義最佳折衷方案。內(nèi)部電路包括電平轉(zhuǎn)換和同步自舉，用于高側(cè)器件電源。EPC23102的框圖如圖5所示。

圖5：EPC23102框圖

  在電機驅(qū)動應用中，氮化鎵逆變器可以以數(shù)百千赫茲的頻率切換，并將死區(qū)時間減少到幾十納秒。設計人員可以通過權(quán)衡EMI、功耗和繞組絕緣要求來選擇施加于電機繞組的過渡電壓變化率（dV/dt）。這些應用中通常使用5V/ns的變化率。增加脈寬調(diào)制（PWM）頻率并縮短死區(qū)時間可以減少輸入濾波器并僅使用陶瓷電容器。它還提高了電機效率³因為施加電壓的總諧波失真越低，產(chǎn)生的諧波就越少。扭矩中的諧波會引起不希望的振動，這只會導致機械損失。PWM頻率增加的另一個基本影響如圖6所示，其中同一電機以100kHz開關頻率在接近飽和的高溫下運行，與在20kHz下控制時相比，電流控制更好，紋波更小。

圖 6：在46A電流下接近飽和運行的相同電機在高溫和不同的PWM頻率下PK

  將PWM頻率提高到100kHz的能力也有利于HFI算法在零速和極低速度下進行精確的電機控制。在這種情況下，基于間接反電動勢傳感的傳統(tǒng)無傳感器FOC算法不起作用。它們需要通過調(diào)制信號的HFI（在幾千赫茲的范圍內(nèi)）進行檢測，以確定轉(zhuǎn)子磁體的位置。轉(zhuǎn)子位置檢測的精度取決于PWM頻率與注入頻率之間的比率。比率越高，位置檢測的精度就越高，因此電機控制的精度就越高。

EPC電機驅(qū)動參考設計

  基于IC 的電機驅(qū)動應用可實現(xiàn)更小的電路板和更簡單的設計。EPC發(fā)布了兩款使用IC的電機驅(qū)動逆變器參考設計板。

      EPC91734是一款1.5kW電機驅(qū)動板，包括6個EPC23101 IC。PQFN封裝出色的熱性能使逆變器能夠提供20Arms（無散熱器）和25Arms（有散熱器）的電機電流，當開關頻率高達50kHz時，芯片相對于環(huán)境溫度的升高保持在100°C以下。

      EPC91765是一款400W電機驅(qū)動逆變器，采用三個EPC23102 IC，輸入電壓范圍為14–65V。當開關頻率高達60kHz時，它可以提供 15Arms（無散熱器）和20A（有散熱器）的電機電流，自然對流冷卻使芯片相對于環(huán)境溫度的升高保持在100°C以下。

      EPC9173和其它電機驅(qū)動參考設計（如 EPC9167HC）可用作開發(fā)和測試齒輪箱電機氮化鎵技術(shù)的起點。EPC9176可用于農(nóng)業(yè)機械和卡車方向盤中的觸覺反饋電機。所有EPC電機參考設計都附帶一個從功率板到運動控制器的標準連接器，因此設計人員可以使用他們喜歡的控制器，而無需在初始開發(fā)階段設計功率板。EPC9173參考設計板和開關單元的放大細節(jié)如圖7所示。

圖7：采用QFN封裝EPC9173 GaN IC的EPC23101參考設計

  電機逆變器板具有用于電流測量、相電壓檢測、直流母線電壓檢測的分相電阻器、用于傳感器控制和保護電路（如過流保護和欠壓鎖定）的霍爾/編碼器接口。

  與基于硅MOSFET的逆變器相比，GaN器件在電機驅(qū)動應用中具有多個優(yōu)勢，硅MOSFET逆變器開關頻率通常受開關損耗限制在40kHz，死區(qū)時間通常在200-500ns范圍內(nèi)。基于GaN的逆變器以數(shù)百千赫茲的頻率運行，死區(qū)時間為數(shù)十納秒，消除了扭矩中的諧波，減少了振動，提高了電機效率。當HFI算法與無傳感器FOC結(jié)合使用時，較高的PWM頻率能在低速下實現(xiàn)更高的電機控制精度。