具有功能安全特點的EPS電控系統(tǒng)方案(下)

接上期
2)功率電路
EPS系統(tǒng)的功率電路主要實現(xiàn)三部分功能。一，由6個 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實現(xiàn)的電池反接保護功能；三，執(zhí) 行功能安全關(guān)斷輸出命令的相切斷功能。
總的來說，功率電路首要考慮的是可靠性和效率。
先說效率，除精細的FOC電機控制方法外，MOSFET 器件本身是效率的另一個決定因素。好的MOSFET意味著 更低的RDS(ON)、更低的開關(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MOSFET 的電流跨度要求也很大。 圖7方案里40V的Infineon汽車級 N-MOSFET完全能滿足這個功率范圍的不同需求，并且有著 業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的導(dǎo)通和開關(guān)損耗。
可靠性針對不同功能涉及的內(nèi)容也不同。對于三相逆 變?nèi)珮騺碚f，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)計能力、PCB布局走線、電磁兼容EMC以 及熱設(shè)計等相關(guān)的設(shè)計能力。英飛凌北京汽車系統(tǒng)工程部在 這幾方面積累了多年的經(jīng)驗，尤其是在用單層鋁基板實現(xiàn)方 式上有著非常成熟的方案。
對于串聯(lián)在三相橋上方的N-MOSFET的電池反接保護
功能，由于實現(xiàn)比較容易，所以其可靠性主要體現(xiàn)在原理層 面。簡單來說，驅(qū)動防反N-MOSFET需要一個上浮的門極驅(qū) 動電源和一個開關(guān)控制信號。門極驅(qū)動電源來自TLE9180的 上管驅(qū)動專用電源管腳。開關(guān)控制信號一般由MCU的一個 普通I/O管腳產(chǎn)生即可。當電池極性正常連接時，TLE9180 的上管驅(qū)動專用電源正常工作，MCU控制I/O管腳將門極 驅(qū)動電源輸出給防反N-MOSFET的門極，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沒有正常供電，不能產(chǎn)生上管驅(qū)動電源，因而防反N-MOSFET門極沒有驅(qū)動信號，呈關(guān)閉狀態(tài)。
下面重點介紹相切斷單元。首先要說明使用相切斷單 元的背景及原因。傳統(tǒng)的EPS配有電磁離合器，裝在減速機 構(gòu)與電機之間，作用是保證EPS系統(tǒng)只在設(shè)定的行駛車速范 圍內(nèi)起作用。當車速達到界限值時，離合器分離，電機停止 工作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為手動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。另外，當電機發(fā)生故障 時，離合器將自動分離。而新一代的EPS已經(jīng)取消電磁離合 器，因為汽車高速時，仍需電機提供阻尼，實現(xiàn)高速時的沉 穩(wěn)感。另外，因電機軸承故障而卡住電機輸出軸的概率遠 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)生故障時用電子開關(guān)EPS電控功率電 路和電機。早期機械繼電器切斷功率電路和電機，但因其 體積大、成本高、抗震差等缺點而被淘汰。取而代之的是 MOSFET。
用MOSFET實現(xiàn)相切斷功能有幾個棘手的問題。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 時的關(guān)斷電流通常都是故障電流，其值比較大，通常會超過
100A。3. 關(guān)斷時的故障電流的上升速率不可預(yù)知。di/dt有 時會很高，尤其是在轉(zhuǎn)子位置和導(dǎo)通的MOSFET嚴重不匹配
時。
所以，要實現(xiàn)相切斷MOSFET單元真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用， 必須要解決幾個問題。1. 提供3個相切斷MOSFET在關(guān)斷后 的電機電感續(xù)流回路；2. 要有適當?shù)牟呗?、方法和必要的?路來可靠關(guān)斷故障電流。
3)外圍傳感器 采用三相PMSM或BLDC電機實現(xiàn)的EPS系統(tǒng)需要三類
傳感器。第一類是三相PMSM或BLDC電機控制用的轉(zhuǎn)子位 置傳感器；第二類是EPS方向盤扭矩傳感器；第三類是EPS 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器。這三類都是EPS系統(tǒng)涉及功能安全的關(guān) 鍵元器件。功能安全對關(guān)鍵輸入信號的基本要求是要有冗余
備份。
(a)三相PMSM或BLDC電機控制用的轉(zhuǎn)子位置傳感器 為實現(xiàn)三相PMSM或BLDC電機扭矩的精準控制和減小
扭矩波動，主流技術(shù)是采用FOC磁場定向控制方法。為實現(xiàn) FOC控制需要知道實時電機轉(zhuǎn)子相對于定子的角度信號，即 轉(zhuǎn)子位置信號。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 類傳感器TLE5309D和TLE5012BD，旋轉(zhuǎn)變壓器和帶霍爾的 增量編碼器價格貴很多。圖7給出的方案是用戶在這4種傳感 器中任選兩個作為一個組合用于功能安全的轉(zhuǎn)子位置檢測。 TLE5309D是Infineon應(yīng)ISO26262的要求專門為EPS系統(tǒng) 應(yīng)用設(shè)計的Dual-sensor封裝的角度傳感器芯片。Dual-sensor 封裝技術(shù)是將兩個完全獨立的傳感器芯片集成在一個塑封封 裝里，既實現(xiàn)了冗余又減小了體積。TLE5309D內(nèi)部晶圓上 面集成了一個GMR(巨磁阻效應(yīng))傳感器芯片，晶圓下面集 成了一個AMR(異向性磁阻效應(yīng))傳感器芯片。每個芯片的輸 出信號都是兩路差分模擬信號。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 要求專門為EPS系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計的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 個完全一樣，且完全獨立的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的特點是輸出協(xié)議方便、靈 活、通用化，并且是數(shù)字信號輸出。
(b)EPS方向盤扭矩傳感器
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的要求專門為EPS系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計的Dual-sensor封裝 的方向盤扭矩傳感器芯片。TLE4998x芯片內(nèi)部集成了數(shù)字 信號處理器，將模擬的扭矩信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并以常用 的SENT(Single Edge Nibble Transmission)和PWM通訊協(xié)議輸 出。因為內(nèi)部集成了兩個完全一樣的TLE4998x芯片，如果 不需要更多的冗余備份的話，一片TLE4998x8D就能滿足EPS 扭矩傳感器的要求。
(c)EPS方向盤轉(zhuǎn)角傳感器
TLE5012BD角度傳感器芯片也能用于方向盤轉(zhuǎn)角傳感 器。如前所述，一片TLE5012BD就能滿足EPS方向盤轉(zhuǎn)角傳 感器的需求。

5  結(jié)束語
隨著電動助力轉(zhuǎn)向EPS的逐漸普及，EPS的安全要求也 越來越高。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，英飛凌不僅能提供具有功能安全 特點的一攬子芯片，同時還有能力提供EPS系統(tǒng)級的技術(shù)支 持。