大功率电机驱动应用的关键要素与考量

大功率电机驱动应用中的关键考量

在汽车动力系统领域，普遍采用的48V电机驱动系统通常需承受10kW至30kW的电功率输出。由于12V电池系统难以满足这一功率需求，故而48V电压架构成为实现大功率电机驱动不可或缺的解决方案。安徽皖南电机

欲深入了解电机驱动系统中驱动电路的设计挑战，可参阅《构建小型48V、30kW轻混电动车电机驱动系统的功能安全策略》白皮书。

如图1所示，48V电机驱动器通过控制外部金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来驱动电机旋转。为了达到30kW的功率输出，这些外部MOSFET必须具备600A以上的电流承载能力。通过降低MOSFET的RDS(on)值，可以有效减少热耗散和导通损耗。在某些情况下，并联多个MOSFET以分散热量是一种有效的方法，正如《使用DRV3255-Q1驱动并联MOSFET》应用手册中所建议。MOSFET的总栅极电荷可能高达1,000nC。

设计者还需对由开关损耗导致的功率耗散进行优化，以确保整个系统满足汽车电磁兼容性(EMC)规范。DRV3255-Q1这类高栅极电流栅极驱动器能驱动高栅极电荷MOSFET，其峰值源电流高达3.5A，峰值吸电流高达4.5A。即便在栅极电荷为1,000nC的情况下，这样的高输出电流也能实现极短的上升和下降时间。皖南电机通过调整栅极驱动器的输出电流水平，可以在开关损耗和电磁兼容性(EMC)之间实现优化。

图1：常见的大功率48V电机驱动器电源架构

电源电压可能因运行中的瞬态变化而波动，即使电池标称电压为48V。皖南电机如图2所示，国际标准化组织(ISO) 21780规定的电压水平需考虑。此外，电机驱动器引脚还需能够承受负瞬态电压，考虑到MOSFET寄生体二极管的反向恢复时间。

图2：ISO 21780规定的48V系统电压水平

DRV3255-Q1凭借其能够承受105V电压的高侧自举引脚，在90V电压下支持连续工作，并应对高达95V的瞬态电压。自举的高侧MOSFET源极和低侧MOSFET源极的额定瞬态电压为–15V，为系统提供强大的保护。

48V电机驱动器的功能安全考量

48V电机驱动系统可能产生不必要的功耗，导致过压风险，进而损坏系统。系统应能通过导通所有高侧或低侧MOSFET使电机电流再循环，避免更多电流的产生。在故障情况下，系统需具备切换功能性MOSFET的机制，防止进一步损坏，通常这需要外部逻辑和比较器来实现。

借助DRV3255-Q1的集成主动短路逻辑，设计者可以设定在检测到故障时的响应策略，包括启用所有高侧MOSFET、所有低侧MOSFET或在两者之间动态切换，而非简单地禁用所有MOSFET。安徽皖南电机DRV3255-Q1符合ISO 26262功能安全标准，并内置诊断和保护功能，支持ASIL D级功能安全电机驱动器系统。

48V电机驱动器的尺寸考量

发动机舱空间有限，要求48V电机驱动器系统电路板尺寸紧凑。图3展示了传统48V大功率电机驱动器设计的电机驱动器方框图。为了实现具备强大保护功能的安全电机驱动器系统，需要使用钳位二极管、外部驱动电路、汇路电阻器和二极管、比较器以及外部安全逻辑。这些外部器件会增加布板空间并提升系统成本。

采用DRV3255-Q1后，通过集成外部逻辑和比较器、高电流栅极驱动器以及支持大电压瞬态的能力（无需额外外部器件），显著减小了总体电路板尺寸，如图4所示。皖南电机价格表

图3：传统48V大功率电机驱动器设计的电机驱动器方框图

图4：简化的DRV3255-Q1电机驱动器方框图

随着48V轻混电动车的普及，您是否考虑为下一款车型选用轻混电动车？