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汽车传动系统高效电气化的要素

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汽车传动系统高效电气化的要素

作者:
来源:
英飞凌科技
日期:
2017/01/12
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全功能门级驱动器和高性能转子位置传感器系统

 

汽车传动系统电气化要求符合汽车质量标准的高性能半导体。因此,在功率半导体和汽车电子领域都具备技术专长是在新兴的电动汽车和混合动力汽车((H)EV)市场取得成功的必要条件。英飞凌具备设计高效(H)EV系统的所有要素。

 

(H)EV系统的主要组成部分为主逆变器、DC/DC变流器、辅助逆变器/变流器、车载充电器和电池管理。功率模块、微控制器、驱动器、传感器等(图1)高度可靠的半导体必须支持多种逆变器功率级,以助力实现紧凑、经济、节能的系统设计。譬如,HybridPACK家族就支持这一设计目标,其针对(H)EV应用的解决方案覆盖所有功率级(10kW -150kW)。

 

EiceDRIVER门级驱动器具有驱动和控制IGBT的理想功能。该产品家族包括具备电位隔离和双向信号传输特性的单/双通道汽车IGBT门级驱动器。AURIX系列这样的高性能32位微控制器是节能型电动传动系统产品组合的有效补充,同时位置传感器可提供电机位置的闭环反馈,以实现场定向控制(FOC)这样的复杂控制。

 

图1:(H)EV系统的关键组成部分:功率模块、高性能微控制器和驱动器

 

 

优化的门级驱动器

 

最新一代EiceDRIVER解决方案在实现经济实用的逆变器设计和推进针对(H)EV应用的ASIL系统认证方面起到了重要作用。

 

1EDI2001AS 和1EDI2002AS的目标应用为使用400V、600V和1200V IGBT的(H)EV逆变器。这两款驱动器都具备电位隔离、双向信号传输、主动短路保护以及优化的IGBT开关功能。这些产品都有用于控制和诊断的标准SPI,传输速度高达2Mbd。安全相关功能包括过流保护以及针对所有电源、振荡器、门信号和输出级的运行时间监控。此外,还支持包括错误注入和弱导通在内的系统级诊断。

 

EiceDRIVER家族的另一个成员是1EDI2010AS。该产品在二次侧集成一个ADC,可用来评估DC链路电压以及NTC或温度二极管的温度。相关数据是通过SPI提供的。

 

1EBN1001AE是单通道IGBT升压器,兼容1EDI20xxAS系列。该产品以高性能双极技术为基础,可替代基于分立式器件的缓冲级。由于其采用热性能优化的裸焊盘封装,能驱动和灌入高达15A的峰值电流。这使其适合汽车应用中的大多数逆变器系统。该产品具备主动短路保护和有效钳位功能,采用裸焊盘PG-DSO-14封装。

 

门级驱动器和升压器结合在一起可在子系统中节省多达20%的PCB空间,同时可使当今解决方案中分立式器件的数量减少60%。

 

用于无刷电机控制的高性能转子位置传感器系统

 

(H)EV 应用经常采用无刷电机。这些高效电机依赖快速、准确的转子位置传感器进行换向,因为这些传感器参数对启动行为、动态性能、转矩波动和效率具有重大影响。

 

可利用不同原理来探测转子位置:感应式(机电分解器)和电磁式。基于分解器的传感器系统面临着一些限制(模拟输出、复杂电路、高系统成本、空间限制、对杂散场灵敏以及位置公差等)。32位AURIX微控制器家族利用其Σ-Δ模数转换器生成载波信号和进行基于软件的编码,可通过避免使用外部分解器IC帮助将系统成本降低大约20%。

 

另一方面,采用AMR(各向异性磁阻)或GMR(巨磁阻)技术的磁阻(xMR)角度传感器具有高精确度,同时对位置公差具有低敏感度。

 

要实施xMR传感器系统,来自功率电子、感应、容量、电缆和电机杂散场这些干扰源的杂散磁场影响必须考虑在内。英飞凌最近将完整的传感器系统集成在轴端,这将满足所有要求。围绕磁路的轴可完美屏蔽电磁干扰场。这样就无需采用额外的可导致系统成本急剧攀升的电磁屏蔽措施。磁路将完全集成进轴端以及传感器模块的大多数部分(图2)

 

传感器模块安装只需占据轴外的小块空间。在准确性方面,系统评估结果非常乐观:受试GMR传感器的最大测量角度误差(图3)<0.3°,AMR传感器的相关参数<0.14°。这种高精度可在很大的安全操作区域内保持稳定,同时毫米级的位置误差依然可实现高精度角度测量。

 

图2:轴端集成传感器系统可确保不受杂散磁场影响并可节省空间

 

图3:在一个封装内兼具AMR芯片和GMR芯片的TLE5309D传感器具有不受位置公差影响的出色准确性

 

在许多情况下,转子位置传感器在ISO26262功能安全方面也扮演着密切相关的角色。英飞凌提供采用双传感器封装的角度传感器,可在一个传感器的空间集成两个冗余传感器。尤其是,TLE5309D通过结合利用AMR和GMR技术,可满足最高的功能安全要求,不仅实现了冗余性,而且实现了多样性。

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