汽車應用中的電機驅(qū)動設計實例
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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(jié)合在一起，這種結(jié)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(qū)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(qū)動系統(tǒng)。
然而，最近，汽車工業(yè)將注意力轉(zhuǎn)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(qū)動的情況下，能夠?qū)崿F(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(gòu)成的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)，電機的轉(zhuǎn)速被限制為幾個離散值。實現(xiàn)任何轉(zhuǎn)速值都需要一個電阻器與電機串聯(lián)。電機的轉(zhuǎn)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?qū)崿F(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(qū)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(cè)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(quán)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(quán)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(qū)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(qū)動電流實現(xiàn)的。此外，AUIR3330S提供了一個可以全速范圍驅(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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。
圖2：主動di/dt控制
圖3：故障分析
現(xiàn)代電機驅(qū)動應用還需要保護和故障診斷等附加功能。AUIR3330S 集成了多種用以防止在異常模式下系統(tǒng)出現(xiàn)故障的功能，包括過溫狀況、輸出短路、地線或自舉電容脫斷。在上述任何一種故障狀態(tài)下，AUIR3330S 都能受到保護，并且會向微處理器報告故障診斷結(jié)果。故障診斷結(jié)果是一個數(shù)值，可直接由微處理器讀取。
此外，AUIR3330S具有電流反饋功能，能夠通過測量流經(jīng)Rifb電阻器的電壓讀取負載電流。該系統(tǒng)可以監(jiān)測負載電流，從而控制提供給負載的功率。并且可以檢測到電機堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。
電流感測反饋用于設置過流保護閾值。當通過Rifb 電阻器的電壓超過4.5V 時，輸出會自動切斷。此功能可防止在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下線路或電機內(nèi)的任何故障，并且可以經(jīng)過調(diào)整適應每個系統(tǒng)的需要。
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