汽車 OEM 正在遷移到 BLDC，以最大限度地提高效率和可靠性。本文著眼于工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮的重要參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

電磁感應(yīng) （EMI） 的發(fā)現(xiàn)改變了世界，預(yù)示著新時(shí)代的到來(lái)。今天，它涉及到每個(gè)部門、市場(chǎng)和行業(yè)。在許多方面，能夠隨意發(fā)電并將能量轉(zhuǎn)化為精確控制和規(guī)律性的運(yùn)動(dòng)，是發(fā)達(dá)社會(huì)的標(biāo)志。

到目前為止，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)是最常見(jiàn)和廣泛部署的 EMI 實(shí)施方案。除太陽(yáng)能外，大部分可用電力都是通過(guò)這種方式產(chǎn)生的，要么是發(fā)電站的大型渦輪機(jī)，要么是風(fēng)能或波浪等可再生能源解決方案中的小型發(fā)電機(jī)。

作為對(duì)這種豐富能量的回應(yīng)，發(fā)電機(jī)的對(duì)應(yīng)物，電動(dòng)機(jī)，已經(jīng)成功且不可分割地取代了純機(jī)械形式的動(dòng)力。隨著電動(dòng)汽車開(kāi)始在我們的道路上普及，內(nèi)燃機(jī)也許是這一旅程中的最新一步。

然而，汽車工業(yè)向電力轉(zhuǎn)型還有一個(gè)中間步驟，那就是用電動(dòng)機(jī)代替機(jī)械設(shè)備。

增加應(yīng)用

從消費(fèi)者的角度來(lái)看，汽車中最明顯的電動(dòng)機(jī)用途可能是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車窗和座椅。中央鎖是另一個(gè)可以引用的應(yīng)用。在引擎蓋下，發(fā)生了更多的變化。電動(dòng)機(jī)逐漸被指定為純機(jī)械選項(xiàng)，用于風(fēng)扇、泵（水、油、燃料）、動(dòng)力轉(zhuǎn)向和防抱死制動(dòng)以及自動(dòng)變速器等功能。

原因很清楚；與機(jī)械替代品相比，電動(dòng)機(jī)可提供更好的控制、更高的效率和更高的可靠性。過(guò)渡剛開(kāi)始時(shí)，OEM 轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)和有刷換向電機(jī)，但最近汽車行業(yè)——與許多其他行業(yè)一樣——已轉(zhuǎn)向無(wú)刷直流電機(jī) （BLDC），這是有充分理由的。

BLDC 提供更高水平的效率，更好地控制更寬的動(dòng)態(tài)范圍以及更大的扭矩。由于該技術(shù)是無(wú)刷的——從電氣角度來(lái)看，實(shí)際上是非接觸式的——它消除了有刷直流電機(jī)常見(jiàn)的所有電氣干擾。這有助于降低電磁干擾，這可能會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 （ECU） 中更敏感的組件帶來(lái)問(wèn)題。它還避免了有刷換向常見(jiàn)的電弧和隨后的磨損，這可能導(dǎo)致有刷直流電機(jī)的性能下降和最終故障。

當(dāng)然，用電氣替代品代替機(jī)械電機(jī)確實(shí)需要額外的控制電子設(shè)備。在 BLDC 的情況下，可以說(shuō)，缺乏電接觸會(huì)加劇這種情況。有時(shí)通過(guò)使用霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)來(lái)控制 BLDC，該開(kāi)關(guān)為控制回路提供必要的反饋。然而，最近，無(wú)傳感器 BLDC 變得流行，因?yàn)橐瞥齻鞲衅鬟M(jìn)一步降低了物料清單。

為驅(qū)動(dòng) BLDC（帶傳感器和不帶傳感器）而開(kāi)發(fā)的控制算法由微控制器 （MCU） 處理，這提供了額外的好處，即使用 CAN 或 LIN 提供相對(duì)簡(jiǎn)單的車輛網(wǎng)絡(luò)集成。為汽車應(yīng)用中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的 MCU 還配備了預(yù)驅(qū)動(dòng)級(jí)，以控制通過(guò)電機(jī)線圈提供高驅(qū)動(dòng)電流所需的 MOSFET。最后階段對(duì)于定義整體電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案的效率至關(guān)重要，如下所述。

改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)器

BLDC 的驅(qū)動(dòng)器電路通常包括 MOSFET，以產(chǎn)生和破壞由定子線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，圍繞由永磁體形成的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。檢測(cè)定子的位置對(duì)于在線圈中產(chǎn)生正確的勵(lì)磁場(chǎng)至關(guān)重要。在使用傳感器的 BLDC 中，檢測(cè)到的是磁場(chǎng)，而在無(wú)傳感器版本中，控制電路測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)以確定定子位置。

無(wú)論哪種方式，線圈都通過(guò)以橋式拓?fù)渑帕械?MOSFET 供電。MOSFET 的選擇是影響 BLDC 整體效率和性能的主要因素。數(shù)據(jù)表中提供的數(shù)據(jù)是在特定條件下使用的，可能與實(shí)際應(yīng)用的操作條件一致，也可能不一致。因此，在選擇最合適的 MOSFET 之前必須了解應(yīng)用。

同樣，所選 MOSFET 的工作參數(shù)將對(duì)整個(gè)解決方案產(chǎn)生直接而重大的影響。仔細(xì)考慮這些參數(shù)將確保選擇的 MOSFET 最符合要求。

一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該考慮三個(gè)主要方面：可靠性、效率和設(shè)計(jì)。可靠性與設(shè)備的極限有關(guān)，并確保在正常操作期間永遠(yuǎn)不會(huì)測(cè)試這些極限。具體而言，這涉及選擇具有擊穿電壓的器件，該器件可提供足夠的保護(hù)，防止可能通過(guò)其他設(shè)計(jì)選擇引入的瞬變。例如，對(duì)于使用 12V 電源運(yùn)行的 BLDC，40V 的擊穿電壓就足夠了。同樣，在 24V 系統(tǒng)中，擊穿電壓為 60V 的 MOSFET 將提供足夠的保護(hù)。考慮漏源電流額定值也很重要，特別是在浪涌或脈沖條件下。在 BLDC 應(yīng)用中，啟動(dòng)或失速電流可能超過(guò)滿載電流的三倍，

就 MOSFET 而言，效率通常表示器件管理散熱的能力，尤其是在結(jié)處。良好的熱設(shè)計(jì)總是必要的，尤其是在汽車等環(huán)境溫度較高的環(huán)境中，但在選擇 MOSFET 時(shí)應(yīng)考慮幾個(gè)參數(shù)。這些包括導(dǎo)通電阻、Rds（on） 和柵極電荷 （Qg）。這兩個(gè)參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的；較大的 MOSFET 可以產(chǎn)生較低的導(dǎo)通電阻，但也會(huì)導(dǎo)致較高的柵極電荷。這會(huì)對(duì) BLDC 驅(qū)動(dòng)器等開(kāi)關(guān)應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。

溫度系數(shù)

驅(qū)動(dòng)具有三相（線圈）的 BLDC 通常是通過(guò) MCU 生成的 PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，用于為每個(gè)相供電。圖 1 顯示了 BLDC 相位的典型橋接電路。如果兩個(gè) MOSFET 同時(shí)開(kāi)啟，則會(huì)導(dǎo)致?lián)舸瑥亩a(chǎn)生災(zāi)難性影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，將在 PWM 信號(hào)中設(shè)計(jì)一個(gè)周期，稱為死區(qū)時(shí)間，以確保在任何給定時(shí)間只有預(yù)期的 MOSFET 導(dǎo)通。MOSFET 的開(kāi)關(guān)時(shí)間將影響所需的死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)度，該參數(shù)也受器件柵極電荷的影響。在死區(qū)時(shí)間期間，MOSFET 的體二極管提供了一個(gè)換流路徑，這又不是理想的，因?yàn)槎O管導(dǎo)通時(shí)的功率損耗較高。

每個(gè) MOSFET 都會(huì)表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)電容（圖 1 中的 Crss）；這是一個(gè)可能導(dǎo)致?lián)舸┑膮?shù)。該參數(shù)與 Rg 相結(jié)合，在開(kāi)關(guān)期間，可能會(huì)導(dǎo)致低端 MOSFET 的柵極電荷上升到足以將其導(dǎo)通的水平。

圖 1. 用于驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)相位的典型橋式電路

對(duì)于 BLDC 驅(qū)動(dòng)等開(kāi)關(guān)應(yīng)用應(yīng)考慮的另一個(gè)重要參數(shù)是零溫度系數(shù) （ZTC） 點(diǎn)。如圖 2 所示，這是傳輸曲線上的一個(gè)點(diǎn)（漏極電流，［ID］，與柵源電壓，［VGS］）。在該點(diǎn)以下運(yùn)行器件會(huì)導(dǎo)致漏極電流為正溫度系數(shù)，而在該點(diǎn)以上運(yùn)行器件會(huì)導(dǎo)致漏極電流為負(fù)溫度系數(shù)。圖 2a 顯示了低密度平面 MOSFET （ ZXM61N03F ） 的傳輸特性，圖 2b 顯示了高密度平面 MOSFET （ ZXMN3A01E6 ） 的傳輸特性）。通常，建議在負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域運(yùn)行設(shè)備。圖 2b 中的器件利用更大的溝槽密度來(lái)增加通道中垂直電流流動(dòng)路徑的數(shù)量。這具有降低 Rds（on） 的積極作用，盡管也會(huì)導(dǎo)致更高的 ZTC 點(diǎn)。

圖 2a（左）。低密度平面 MOSFET ZXM61N03F

圖 2b（右）。高密度溝槽MOSFET ZXMN3A01E6

對(duì)于給定尺寸，N 溝道 MOSFET 通常具有等效 P 溝道器件的一半 Rds（on），因此在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中通常指定 N 溝道 MOSFET。圖 3 顯示了使用 N 溝道 MOSFET 的全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的五個(gè)階段。同樣重要的是要注意，由于 MOSFET 的體二極管，此類電路會(huì)受到反向恢復(fù)電流的影響。能夠最小化死區(qū)時(shí)間的 PWM 算法可以減少這些影響，同時(shí)還建議指定具有快速恢復(fù)并聯(lián)二極管的 MOSFET。

圖 3. 顯示換向序列和體二極管恢復(fù)相關(guān)擊穿的電路

結(jié)論

汽車 OEM 越來(lái)越多地指定無(wú)刷直流電機(jī)。它們提供更高的效率、更高的可靠性和更多功能的控制，包括更換機(jī)械泵和風(fēng)扇。

驅(qū)動(dòng) BLDC 需要將用于控制的高級(jí) MCU 與適當(dāng)指定的 MOSFET 相結(jié)合以提供電力。熱管理是良好設(shè)計(jì)的核心，這延伸到了解如何使用正確的 MOSFET 設(shè)計(jì)最好地滿足 BLDC 驅(qū)動(dòng)電路的獨(dú)特要求。

通過(guò)了解和評(píng)估相關(guān)參數(shù)，工程師可以為任務(wù)選擇正確的 MOSFET，即使在最惡劣的環(huán)境中也能確保最高的可靠性和效率。