采用氮化鎵IC的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向

在現(xiàn)代汽車(chē)中，增加的重量和更寬的前輪胎使無(wú)輔助轉(zhuǎn)向變得不切實(shí)際，因?yàn)閷?duì)操作員的阻力增加。因此，幾年前，采用了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向。一開(kāi)始，對(duì)駕駛員的輔助是通過(guò)液壓系統(tǒng)完成的，并且始終運(yùn)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(chē)制造商轉(zhuǎn)向電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）。

  使用EPS，液壓系統(tǒng)被電動(dòng)機(jī)取代，該電動(dòng)機(jī)僅在需要時(shí)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(yīng)駕駛條件。但是，有幾個(gè)設(shè)計(jì)約束需要考慮。一個(gè)是駕駛員不想缺少輪胎的觸覺(jué)反饋，尤其是當(dāng)車(chē)輛很大時(shí)，例如卡車(chē)。其它限制由安全法規(guī)決定，特別是對(duì)于自動(dòng)駕駛車(chē)。這些限制要求采用高效、準(zhǔn)確和冗余的系統(tǒng)。氮化鎵技術(shù)在所有這些領(lǐng)域?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供幫助。

不同類(lèi)型的EPS

      EPS降低了能耗，因?yàn)樗鼉H在駕駛員驅(qū)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)才提供輔助。EPS的一個(gè)缺點(diǎn)是模仿“傳統(tǒng)”液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向的觸覺(jué)具有挑戰(zhàn)性。EPS的工作原理很簡(jiǎn)單：轉(zhuǎn)向柱上有傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)向角和扭矩，電子控制單元（ECU）分析信號(hào)并確定所需的輔助量，安裝在轉(zhuǎn)向柱或齒條上的電動(dòng)機(jī)根據(jù)ECU的指令驅(qū)動(dòng)輔助力。根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同，幾種類(lèi)型的EPS廣泛用于量產(chǎn)車(chē)。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(jì)型車(chē)輛。在柱式EPS中，電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向柱上，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。由于電機(jī)位于儀表板內(nèi)部，因此不會(huì)受到水和極端溫度的影響;因此，可以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。電機(jī)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(jué)反饋。

圖1：柱式EPS。輔助電機(jī)位于紅色框內(nèi)。

  平行軸EPS（圖2）將電機(jī)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(shí)的“感覺(jué)”。平行軸EPS更昂貴，但它也更準(zhǔn)確，并且已被提供自動(dòng)駕駛輔助的汽車(chē)采用。

圖2：平行軸EPS。電機(jī)軸與紅色盒子內(nèi)的機(jī)架平行。

  扭矩和位置傳感器位于方向盤(pán)和齒條中。電機(jī)通過(guò)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(chē)輛尺寸，電機(jī)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(dòng)駕駛系統(tǒng)，因此電機(jī)控制精度至關(guān)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(pán)和轉(zhuǎn)向器之間的機(jī)械連接。車(chē)輛方向盤(pán)上的傳感器感應(yīng)每個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。與平行軸EPS一樣，齒條轉(zhuǎn)向器上的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生傳遞到拉桿的力。方向盤(pán)上的另一個(gè)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生駕駛員熟悉的觸覺(jué)反饋，這些反饋來(lái)自傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以通過(guò)電子方式進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)駕駛員的偏好。它已成為大型車(chē)輛（如農(nóng)業(yè)機(jī)械和卡車(chē)）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(gè)電機(jī)。

EPS逆變器說(shuō)明

  控制連接到EPS機(jī)架的電機(jī)的電子部分包括至少兩個(gè)提供冗余的逆變器。電機(jī)有三相、六相或九相，具體取決于車(chē)輛，每三相都有一個(gè)逆變器。在單個(gè)三相電機(jī)的情況下，至少有兩個(gè)逆變器。在最先進(jìn)的系統(tǒng)中，使用傳統(tǒng)的磁場(chǎng)定向控制（FOC）技術(shù)在沒(méi)有傳感器的情況下控制電機(jī)。在先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)中，需要零速時(shí)的精確扭矩控制，并且通過(guò)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(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制

  如圖4所示，在方向盤(pán)上使用類(lèi)似的無(wú)冗余系統(tǒng)，用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的觸覺(jué)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(yàn)。

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管和IC有利于逆變器和電機(jī)

  氮化鎵器件是功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的領(lǐng)先創(chuàng)新。GaN基逆變器的優(yōu)勢(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中變得越來(lái)越明顯。¹與硅MOSFET相比，GaN FET的開(kāi)關(guān)速度更快，同時(shí)浪費(fèi)的開(kāi)關(guān)能量更少。此外，GaN FET每平方毫米面積的導(dǎo)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(jìn)行功率轉(zhuǎn)換具有更多優(yōu)勢(shì)。由于柵極驅(qū)動(dòng)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(jí)封裝，功率環(huán)路電感被最小化。電路的整體尺寸減小，因?yàn)椴恍枰獠繓艠O驅(qū)動(dòng)器。使用LGA和QFN封裝簡(jiǎn)化了將器件連接到散熱器的過(guò)程，從而增強(qiáng)了從結(jié)點(diǎn)到環(huán)境溫度的熱阻。

  最近，EPC推出了其基于ePower平臺(tái)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(kāi)關(guān)頻率向負(fù)載提供35A連續(xù)電流。集成功率FET的典型導(dǎo)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(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，因此設(shè)計(jì)人員可以在上升和下降時(shí)間與過(guò)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(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)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(shí)間減少到幾十納秒。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)權(quán)衡EMI、功耗和繞組絕緣要求來(lái)選擇施加于電機(jī)繞組的過(guò)渡電壓變化率（dV/dt）。這些應(yīng)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(shí)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(jī)效率³因?yàn)槭┘与妷旱目傊C波失真越低，產(chǎn)生的諧波就越少。扭矩中的諧波會(huì)引起不希望的振動(dòng)，這只會(huì)導(dǎo)致機(jī)械損失。PWM頻率增加的另一個(gè)基本影響如圖6所示，其中同一電機(jī)以100kHz開(kāi)關(guān)頻率在接近飽和的高溫下運(yùn)行，與在20kHz下控制時(shí)相比，電流控制更好，紋波更小。

圖 6：在46A電流下接近飽和運(yùn)行的相同電機(jī)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(jìn)行精確的電機(jī)控制。在這種情況下，基于間接反電動(dòng)勢(shì)傳感的傳統(tǒng)無(wú)傳感器FOC算法不起作用。它們需要通過(guò)調(diào)制信號(hào)的HFI（在幾千赫茲的范圍內(nèi)）進(jìn)行檢測(cè)，以確定轉(zhuǎn)子磁體的位置。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)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(cè)的精度就越高，因此電機(jī)控制的精度就越高。

EPC電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)

  基于IC 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)更小的電路板和更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。EPC發(fā)布了兩款使用IC的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器參考設(shè)計(jì)板。

      EPC91734是一款1.5kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，包括6個(gè)EPC23101 IC。PQFN封裝出色的熱性能使逆變器能夠提供20Arms（無(wú)散熱器）和25Arms（有散熱器）的電機(jī)電流，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)50kHz時(shí)，芯片相對(duì)于環(huán)境溫度的升高保持在100°C以下。

      EPC91765是一款400W電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器，采用三個(gè)EPC23102 IC，輸入電壓范圍為14–65V。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)60kHz時(shí)，它可以提供 15Arms（無(wú)散熱器）和20A（有散熱器）的電機(jī)電流，自然對(duì)流冷卻使芯片相對(duì)于環(huán)境溫度的升高保持在100°C以下。

      EPC9173和其它電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)（如 EPC9167HC）可用作開(kāi)發(fā)和測(cè)試齒輪箱電機(jī)氮化鎵技術(shù)的起點(diǎn)。EPC9176可用于農(nóng)業(yè)機(jī)械和卡車(chē)方向盤(pán)中的觸覺(jué)反饋電機(jī)。所有EPC電機(jī)參考設(shè)計(jì)都附帶一個(gè)從功率板到運(yùn)動(dòng)控制器的標(biāo)準(zhǔn)連接器，因此設(shè)計(jì)人員可以使用他們喜歡的控制器，而無(wú)需在初始開(kāi)發(fā)階段設(shè)計(jì)功率板。EPC9173參考設(shè)計(jì)板和開(kāi)關(guān)單元的放大細(xì)節(jié)如圖7所示。

圖7：采用QFN封裝EPC9173 GaN IC的EPC23101參考設(shè)計(jì)

  電機(jī)逆變器板具有用于電流測(cè)量、相電壓檢測(cè)、直流母線電壓檢測(cè)的分相電阻器、用于傳感器控制和保護(hù)電路（如過(guò)流保護(hù)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(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)，硅MOSFET逆變器開(kāi)關(guān)頻率通常受開(kāi)關(guān)損耗限制在40kHz，死區(qū)時(shí)間通常在200-500ns范圍內(nèi)?；?/span>GaN的逆變器以數(shù)百千赫茲的頻率運(yùn)行，死區(qū)時(shí)間為數(shù)十納秒，消除了扭矩中的諧波，減少了振動(dòng)，提高了電機(jī)效率。當(dāng)HFI算法與無(wú)傳感器FOC結(jié)合使用時(shí)，較高的PWM頻率能在低速下實(shí)現(xiàn)更高的電機(jī)控制精度。