【導(dǎo)讀】皮帶驅(qū)動啟動發(fā)電機 (BSG) 是混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV) 系統(tǒng)不可或缺的一部分，因為它有助于減少內(nèi)燃機產(chǎn)生的碳排放。啟動發(fā)電機系統(tǒng)在電動汽車架構(gòu)中扮演著多重角色。它們負責(zé)啟動發(fā)動機，為發(fā)動機提供額外的電力，并在減速或滑行期間產(chǎn)生充電電壓，從而減少機械制動系統(tǒng)的磨損，同時提高整體系統(tǒng)效率。
皮帶驅(qū)動啟動發(fā)電機 (BSG) 是混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV) 系統(tǒng)不可或缺的一部分，因為它有助于減少內(nèi)燃機產(chǎn)生的碳排放。啟動發(fā)電機系統(tǒng)在電動汽車架構(gòu)中扮演著多重角色。它們負責(zé)啟動發(fā)動機，為發(fā)動機提供額外的電力，并在減速或滑行期間產(chǎn)生充電電壓，從而減少機械制動系統(tǒng)的磨損，同時提高整體系統(tǒng)效率。
無論架構(gòu)或位置如何，啟動發(fā)電機系統(tǒng)已被證明是車輛電氣化的重要組成部分。啟動發(fā)電機可用于車輛內(nèi)的多個位置。圖 1 顯示了主要啟動發(fā)電機系統(tǒng)的位置。P0 和 P1 位置通常小于 20 kW。P0 系統(tǒng)正變得非常普遍，因為它們更容易實施，需要的重新設(shè)計更少，而且成本效益高。P1 位置具有類似的優(yōu)勢，同時消除了皮帶損耗，從而提高了性能并減少了磨損。
圖1
啟動發(fā)電機電路的實現(xiàn)
啟動發(fā)電機系統(tǒng)由多個電氣和機械組件組成。逆變器提供電力驅(qū)動，DC-DC 轉(zhuǎn)換器則在能量收集模式下將轉(zhuǎn)子中的機械能轉(zhuǎn)換為電能。該系統(tǒng)還負責(zé)怠速停止系統(tǒng)中的曲軸位置以及冷啟動所需的高啟動扭矩。從機械角度來看，啟動發(fā)電機包括定子（連接到三相逆變器）和轉(zhuǎn)子（通過滑環(huán)和電刷使直流電通過轉(zhuǎn)子繞組來產(chǎn)生磁場）。使用永磁電機的新設(shè)計可以消除對勵磁線圈的需求，但這種方法帶來了其他安全挑戰(zhàn)，因為在故障情況下無法關(guān)閉磁化。圖 2 顯示了五相電機的典型電路實現(xiàn)。
圖2
12V 和 48V 系統(tǒng)的通用電流、驅(qū)動和位置傳感器解決方案
BSG系統(tǒng)用于 12V 和 48V 電源軌。12V BSG 系統(tǒng)無法提供與 48V 啟動發(fā)電機相同的功率優(yōu)勢。通常，12V 系統(tǒng)的功率限制在 < 10 kW，而 48V 系統(tǒng)可以產(chǎn)生高達 25 kW 或更高的功率。隨著功率的增加，對柵極驅(qū)動器以及電流傳感器的需求也隨之增加。對于 P0/P1 位置，使用適用于 12V 和 48V 電池的通用架構(gòu)是有利的，只需要很少的額外組件或重新設(shè)計。使用通用架構(gòu)可以減少設(shè)計時間和物料清單 (BOM) 成本，并為 12V 和 48V 系統(tǒng)中的螺栓固定式 BSG 系統(tǒng)提供單一平臺。
AMT49502 半橋柵極驅(qū)動器的工作電壓范圍為 5.5 V 至 80 V，使其成為在 12V 或 48V 電源軌上運行的 BSG 應(yīng)用的多功能平臺。該器件的電荷泵穩(wěn)壓器為兩個 N 溝道 MOSFET 提供柵極驅(qū)動。圖 3 顯示了半橋設(shè)計的系統(tǒng)框圖。只需要單個電源，所有內(nèi)部邏輯均由電荷泵穩(wěn)壓器供電的片上邏輯電源穩(wěn)壓器創(chuàng)建。該穩(wěn)壓器負責(zé)向浮動自舉電容提供穩(wěn)壓的 11 V 電壓，從而確保高側(cè) MOSFET 在電池電壓為 5.5 V 時柵極上有 11 V 電壓。電荷泵穩(wěn)壓器還為內(nèi)部邏輯供電，從而降低了芯片的整體功耗。最大限度地降低功耗是在 48V 下運行而無需降壓穩(wěn)壓的關(guān)鍵。此外，一個小型集成電荷泵負責(zé)以 100% 的占空比保持高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通。
Allegro 還提供各種電流檢測選項，它們都具有類似的模擬接口，可以反饋給微處理器，從而通過冗余實現(xiàn)全磁場定向控制 (FOC)。對于低功率系統(tǒng)，AMT49502 具有一個集成的高性能電流檢測放大器，可測量通過低側(cè)電流分流器的電流。隨著功率的增加，基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器提供的功耗比必要的并聯(lián)電阻器低得多，尺寸也更小。它們的電流隔離也意味著它們可以放置在高側(cè)、低側(cè)或同相，從而在系統(tǒng)級別為控制和短路檢測提供靈活性。對于轉(zhuǎn)子線圈中常見的電流，Allegro 的集成導(dǎo)體 ACS71240 提供了一種精確、高效且小巧的解決方案。對于電機相中看到的更高電流，常見的解決方案是 C 型磁性的 ACS70310/1 或無磁芯 ACS37612/10 解決方案。所有這些解決方案都提供了冗余方法以及內(nèi)置診斷功能。ACS71240 和 ACS37610 都提供內(nèi)置過流檢測，而 ACS37610 提供過溫檢測。AMT49502 中的每個 MOSFET 都可以使用邏輯輸入以及輔助 ENABLE 輸入獨立控制，該輸入提供了一條獨立的路徑來禁用橋接器或激活睡眠模式。還可以使用串行外設(shè)接口 (SPI) 端口讀出診斷信息并設(shè)置功能參數(shù)。
為了進一步支持啟動發(fā)電機設(shè)計，Allegro 提供了完整系列的磁角度傳感器，適用于各種電機位置檢測應(yīng)用。高分辨率 A1333 和 AAS33001 角度傳感器提供旋轉(zhuǎn)電機位置信息，可用作正弦換向電機控制方案的一部分。這種電機控制方案為啟動發(fā)電機帶來了高效率和改進的扭矩性能。此外，Allegro 還可以通過全套磁性霍爾傳感器產(chǎn)品組合支持傳統(tǒng)的塊換向電機控制方法。
總的來說，使用 AMT49502、Allegro 電流傳感器 IC 和電機位置傳感器設(shè)計的 BSG 可用于 12V 和 48V 系統(tǒng)，并且可以輕松擴展功率。
圖3
專為嚴苛環(huán)境而設(shè)計
啟動發(fā)電機系統(tǒng)會在逆變器橋上產(chǎn)生高電壓。在發(fā)電機模式下，逆變器的作用是將三相電流轉(zhuǎn)換為直流電壓和電流，并將其作為充電施加到 12V 或 48V 電池系統(tǒng)。最終，電機產(chǎn)生的電壓取決于轉(zhuǎn)速。對于逆變器橋來說，在高速旋轉(zhuǎn)期間以及從驅(qū)動模式到發(fā)電機模式的轉(zhuǎn)換期間承受電壓瞬變非常重要。柵極驅(qū)動器必須足夠堅固，才能處理系統(tǒng)中存在的高電流和電壓瞬變。通過將柵極驅(qū)動器設(shè)計為能夠承受這些瞬變，開發(fā)人員可以節(jié)省寶貴的設(shè)計時間，并盡最大限度地減少添加高壓鉗位電路以保護系統(tǒng)的額外成本。當(dāng)高側(cè) MOSFET 在發(fā)電機模式下關(guān)閉時，橋上的電壓瞬變會在低側(cè)驅(qū)動器上產(chǎn)生超過 5 V 的負電壓，在相位節(jié)點上產(chǎn)生超過 10 V 的負電壓。
如圖 4 所示，AMT49502 柵極驅(qū)動器可以承受低側(cè)柵極上的 –8 V 電壓和相對于相位節(jié)點的高側(cè)驅(qū)動器上的 –18 V 電壓。強大的瞬態(tài)性能和智能控制算法的結(jié)合可以確保即使是高功率系統(tǒng)也不會損壞逆變器。EV 組件必須足夠堅固，才能處理負電壓瞬變并通過主機廠的電磁輻射要求。啟動發(fā)電機逆變器需要快速切換以保持效率，同時盡可能地減少排放。它們還必須限制電磁輻射的幅度，以滿足 主機廠的嚴格要求。
為了兼顧高效率和低電磁輻射，AMT49502 驅(qū)動器采用分段可編程電流柵極驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)，允許控制系統(tǒng)中所有 MOSFET 的開啟和關(guān)閉。MOSFET 從關(guān)斷到開啟以及從開啟到關(guān)斷的轉(zhuǎn)換均受控制，如圖 5 中的詳細信息所示。所有參數(shù)均通過 SPI 端口進行編程
圖4
當(dāng)命令柵極驅(qū)動器開啟時，電流 I1 會在高側(cè)或低側(cè)柵極端子上持續(xù) t1 的時間。通常應(yīng)設(shè)置這些參數(shù)以快速將 MOSFET 輸入電容充電至米勒區(qū)域的起始點，因為在此期間漏源電壓不會改變。此后，GH 或 GL 上的電流源設(shè)置為值 I2，并在 MOSFET 轉(zhuǎn)換通過米勒區(qū)域并達到完全導(dǎo)通狀態(tài)時保持該值。
圖5
MOSFET 從開啟到關(guān)斷的轉(zhuǎn)換如圖 5 所示。當(dāng)命令柵極驅(qū)動器關(guān)閉時，電流 I1 會在高側(cè)或低側(cè)柵極端子上持續(xù) t1 的時間被吸收。通常應(yīng)設(shè)置這些參數(shù)以快速將 MOSFET 輸入電容放電至米勒區(qū)域的起始點，因為在此期間漏源電壓不會改變。此后，高側(cè)或低側(cè)柵極端子吸收的電流設(shè)置為值 I2，并在 MOSFET 轉(zhuǎn)換通過米勒區(qū)域并達到完全關(guān)斷狀態(tài)時保持該值。
完全控制 MOSFET 開關(guān)可提高效率并降低 EMI。減少 MOSFET 達到其 Vt 所需的死區(qū)時間和時間可通過非常大限度地減少高側(cè)和低側(cè) MOSFET 開關(guān)的時間來提高逆變器性能，并提高正弦電流的保真度。米勒區(qū)域期間的可編程電流控制 MOSFET 的壓擺率，從而在保持高效開關(guān)時間的同時限制輻射。
Allegro AMT49100 三相柵極驅(qū)動器具有 ASIL D 認證，可用于純 48V 系統(tǒng)。使用板載三相驅(qū)動器可縮小封裝內(nèi)容，從而實現(xiàn)更小的系統(tǒng)設(shè)計。AMT49100 提供額外的診斷功能，并且能夠使用內(nèi)置測試電路驗證每個診斷。對于單驅(qū)動器設(shè)計，此額外的診斷和驗證功能提供了一定程度的功能安全性，可以將各種故障通知發(fā)動機控制單元 (ECU)。
某些 48V 設(shè)計可能會受益于超小型柵極驅(qū)動器。例如，3 mm × 3 mm DFN 封裝中的 10 至 100 V A89500 半橋柵極驅(qū)動器非常小，可以減少整體印刷電路板 (PCB) 空間。該器件可用于勵磁線圈驅(qū)動器以及經(jīng)過適當(dāng)安全分析的逆變器。該驅(qū)動器直接由 8 至 13 V 柵極電源供電，場效應(yīng)晶體管 (FET) 橋直接連接到 48V 電池。有關(guān)詳細信息，請參見圖 6。
圖6
安全設(shè)計
啟動發(fā)電機故障會導(dǎo)致鋰離子電池組過度充電，如果電池短路，這可能會很危險。因此，啟動發(fā)電機電路必須符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)，通常需要“B”級認證。例如，當(dāng)發(fā)電機仍在高速旋轉(zhuǎn)時，逆變器橋中的故障會導(dǎo)致過充電情況。在五相系統(tǒng)中，一種解決方案是通過禁用勵磁線圈驅(qū)動器來有效消除轉(zhuǎn)子上的磁場。在此實現(xiàn)中，設(shè)計對于開發(fā)故障安全系統(tǒng)至關(guān)重要。如果系統(tǒng)中的柵極驅(qū)動器是為安全而設(shè)計的，則可以更容易地滿足要求。例如，AMT49502 是在 ISO 26262 認證的開發(fā)流程上設(shè)計的，并且該器件已通過 ASIL B 認證。
每個半橋驅(qū)動器都具有一套先進的診斷功能，包含近 20 項診斷功能，包括負載突降檢測、MOSFET 短路保護、柵極驅(qū)動欠壓、橋接電源過壓、溫度警告和其他情況。IC 診斷功能為系統(tǒng)控制器提供必要的監(jiān)控操作信息，并就系統(tǒng)為確保故障安全操作而采取的措施做出決策。圖 7 顯示了 AMT49502 柵極驅(qū)動器支持的診斷功能。
同樣，Allegro 提供的霍爾效應(yīng)電流檢測和電機位置解決方案在設(shè)計時也考慮到了安全性。在電流傳感器產(chǎn)品組合中，ACS71240、ACS70310/1 和 ACS37612/10 均為 QM，提供安全相關(guān)文檔，并用于系統(tǒng)級額定值高達 ASIL D 的應(yīng)用。在角度傳感器產(chǎn)品組合中，A1333 和 AAS33001 可以作為上下文外的安全元件，單芯片和雙芯片產(chǎn)品分別具有 ASIL B 或 D 額定值。
圖7
結(jié)論
由于易于實施、與現(xiàn)有交流發(fā)電機系統(tǒng)類似的尺寸以及無需對動力系統(tǒng)進行重大修改（在 P2 – P4 位置），BSG 系統(tǒng)在 HEV 電機控制設(shè)計中變得越來越普遍。隨著啟動發(fā)電機系統(tǒng)的不斷發(fā)展，進一步的集成可能會隨著時間的推移影響 BSG 的作用。展望未來，48V 系統(tǒng)可能會在 P3 – P4 位置占據(jù)主導(dǎo)地位。
隨著電氣革命繼續(xù)改變汽車行業(yè)，電氣化將繼續(xù)獲得市場份額。使用適用于 12V 和 48V 系統(tǒng)的通用平臺將簡化向 48V 解決方案的過渡。啟動發(fā)電機系統(tǒng)還將受益于行業(yè)領(lǐng)先的安全診斷、獨立橋接控制提供的冗余、電流檢測以及具有強大瞬態(tài)性能的電機位置傳感器。
從 12V 到 48V 的轉(zhuǎn)變是汽車行業(yè)的大勢所趨。48V 系統(tǒng)憑借其諸多優(yōu)勢，將成為下一代高效、強勁且環(huán)保的汽車關(guān)鍵推動力。
*本文內(nèi)容改編自 Dan Jacques 發(fā)表在《電力系統(tǒng)設(shè)計》的文章《12V 和 48V 系統(tǒng)的通用驅(qū)動平臺》。
（來源：Allegro Microsystems）
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