作者：德州儀器Issac Hsu
製造商在打造輕度混合動力汽車 (MHEV) 時，主要以減少溫室氣體 (GHG) 排放為終極目標。MHEV 採用與汽車傳動系統相連接的 48-V 馬達驅動系統。為減少 GHG 排放，車輛滑行時 MHEV 中的內部燃燒引擎 (ICE) 將會關閉，48-V 馬達系統則會將 48-V 電瓶充電，以提供車輛電力。在此文章中，我將討論如何使用提供高功率馬達驅動的 48-V 馬達驅動器設計，來實現功能安全與精巧尺寸。
高功率馬達驅動之考量
傳統 48-V 馬達驅動系統需要 10 kW 至 30 kW 電力供汽車動力系統應用。由於此功率位準的傳統 12-V 電池系統缺乏效率，因此必須採用 48-V 架構來支援高功率馬達驅動。
參考技術白皮書，進一步了解如何解決馬達驅動系統驅動電路的主要設計挑戰：「如何打造精巧且具功能安全的 48-V、30-kW MHEV 馬達驅動系統。」
如圖 1 所示，48-V 馬達驅動器會控制外部金屬氧化半導體場效應電晶體 (MOSFET) 以轉動馬達。這些外部 MOSFET 必須支援 600 A 以上電流，以實現 30 kW 的目標。將 MOSFET 的 RDS(on) 降到最低，將能減少散熱與傳導損耗，在某些情況下，在每個通道並聯多個 MOSFET 可幫助熱分佈，如應用說明「使用 DRV3255-Q1 驅動並聯 MOSFET」中所述。MOSFET 的總閘極電荷可高達 1,000 nC。
設計人員也需將切換損耗所造成的功耗最佳化，才能得到符合汽車電磁相容性 (EMC) 規格的總解決方案。DRV3255-Q1 等高閘極電流閘極驅動器可以最高 3.5 A 峰值電流源和 4.5 A 電流汲取驅動高閘極電荷 MOSFET。這麼高的輸出電流可縮短上升和下降時間，即使當閘極電荷為 1,000-nC 亦同。可選式閘極驅動輸出電流等級讓您可進行上升和下降時間微調，在切換損耗與 EMC 性能間取得最佳平衡。
圖 1：最常見的高功率 48-V 馬達驅動器電源架構
即使額定電池電壓為 48 V，供應電壓仍可因運作時的暫態條件而有顯著差異。請參考圖 2 中國際標準化組織 (ISO) 21780 所指定的電壓位準。此外，馬達驅動器針腳必須在 MOSFET 寄生本體二極體的反向復原時間下承受負暫態電壓。
圖 2：ISO 21780 中指定的 48-V 系統電壓位準
由於高壓側靴帶式電路針腳可承受 105 V，因此 DRV3255-Q1 可在 90 V 下支援真正持續運作，暫態支援可達 95 V。靴帶式電路高壓側 MOSFET 源極與低壓側 MOSFET 源極的額定值為 –15-V 暫態，可提供高功率馬達驅動器系統所需的強大防護。
48-V 馬達驅動器的功能安全考量
48-V 馬達驅動系統存在產生不必要功率的風險，可能會導致損壞系統的過電壓情況。一般系統反應是關閉所有高壓側或低壓側 MOSFET，將馬達電流再循環並防止繼續產生功率。若發生故障情況，系統必須具有適當機制適當切換功能正常的 MOSFET，以避免造成進一步損壞。執行此類防護通常必須透過外部邏輯元件和比較器。
DRV3255-Q1 中整合主動短路邏輯元件，讓你能夠決定偵測到故障情況時如何進行反應。在反應故障情況時無需停用所有 MOSFET，您可視故障情況配置此邏輯元件，以啟用所有高壓側 MOSFET、啟用所有低壓側 MOSFET，或是動態切換高低壓側 MOSFET。此外，DRV3255-Q1 依照 ISO 26262 功能安全合規性進行設計，並納入診斷與防護功能，可支援高達汽車安全完整性等級 D (ASIL D) 的功能安全馬達驅動器系統執行。
48-V 馬達驅動器的尺寸考量
由於引擎空間有限，因此 48-V 馬達驅動器系統必須具備較小的電路板尺寸。圖 3 說明傳統 48-V 高功率馬達驅動器設計的典型馬達驅動器方塊圖。執行具強大防護的安全馬達驅動器系統時，必須具備鉗位二極體、外部驅動電路、散熱路徑電阻器與二極體、比較器及外部安全邏輯元件。這些外部零組件會增加電路板空間與系統成本。
圖 3：典型 48-V 高功率馬達驅動器方塊圖
整合外部邏輯元件和比較器、可調式高電流閘極驅動器，且無需額外外部零組件即可支援大電壓暫態，都為縮小 DRV3255-Q1 整體電路板尺寸帶來顯著效益，如圖 4 所示。
圖 4：DRV3255-Q1 簡化馬達驅動器方塊圖
48-V MHEV 已越來越普及，您是否也在下一款汽車中考慮使用？
其它資源
- 閱讀技術文章：
- 「破解48V系統的五個迷思。」
- 「48-v 起動發電機系統演進。」
- 閱讀技術白皮書「於雙電池汽車系統進行 12 V 與 48 V 橋接。」
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