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新能源汽车48V车身电机驱动系统级解决方案详解

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智能化和电动化是新能源汽车发展的重要方向,其对电能的需求也越来越高。

背景介绍

智能化和电动化是新能源汽车发展的重要方向,其对电能的需求也越来越高。除此之外,因为电池的重量,整个车比纯燃油汽车更重,这使设计者不得不增加车身执行器的功率来提供更大的扭矩。但传统的12V电池受限于电流和电池电量等原因,不能为整车提供无限大的电流。所以如同整车低压供电电压升到12V一样,它还在继续往上升,迈向48V,从而为整车提供更大的功率输出和更高的能效。故越来越多的汽车厂家开始关注48V系统执行器的驱动。


系统拓扑图

为此,英飞凌在多年前开始布局研发48V的相关芯片。考虑到目前成熟的针对12V BLDC高性价比控制平台MOTIXTM MCU,英飞凌开发了level shift 芯片TLE9140。它也是gate driver器件,相当于直接替换了12V BLDC电机控制高集成芯片TLE987x和TLE989x的gate driver 部分,从而使他可以上升到48V BLDC电机驱动。该方案的另一个好处是客户可以复用他们成熟的12V BLDC电机控制平台,降低开发难度,缩短开发周期,一个平台兼容12V,24V和48V电机驱动。


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MOTIXTM MCU

MOTIXTM MCU系列属于SoC (System on Chip) 级产品,集成了MCU,LDO,gate driver,电流采样和LIN收发器等模块。针对BLDC电机控制,推荐TLE987x和TLE989x系列,其内部框图如下所示,前者是针对LIN通信方案,后者是针对CAN通信方案。详细的信息和文档,可以在英飞凌官网搜索TLE987x/TLE989x,或者直接访问:www.infineon.com/tle987x或者www.infineon.com/tle989x。


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TLE987x内部结构图

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TLE989x内部结构图


48V系统Gate Driver

TLE9140是专门针对48V BLDC电机驱动设计的gate driver芯片,同时兼容24V系统,可以支持功能安全ASIL B级别应用。除此之外,设计上考虑了匹配英飞凌MOTIXTM MCU。其耐压高达100V,驱动能力高达230nC,最大驱动频率25kHz。先进的电流型gate driver可以帮助用户通过修改寄存器配置,从而非常方便地修正驱动波形,以匹配不同的MOSFET,无需修改硬件。除此之外,支持过压,欠压,过温,短路,开路,输入错误等故障检测。还配备了窗式看门狗,进一步提高系统安全性,确保软件死机的情况下,及时关断输出。16位SPI通信配置控制寄存器和通过状态寄存器获取芯片当前状态和故障。详细信息可以访问英飞凌官网: www.infineon.com 并搜索“TLE9140”。

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TLE9140内部结构图


48V系统MOSFET

功率器件部分,英飞凌有非常全面的MOSFET的选择。在OptiMOSTM 5的基础上研发了新一代OptiMOSTM 7 沟槽MOSFET。针对48V应用,可提供80V和100V 两个电压等级。新一代OptiMOSTM 7的MOSFET采用尖端的双多晶硅沟槽技术以及业界领先的300mm薄晶圆技术与生产,如下图所示,80V和100V的MOSFET导通电阻相比于前一代有40%的降低,遵循了英飞凌低RDSON ,低导通损耗的发展宗旨。除此之外,新一代技术的MOSFET 具有更小的门极充电电荷,开关速度更快,降低了开关损耗。这两大特点在电机驱动的应用中优势较为明显。


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英飞凌OptiMOSTM 7也遵循明确的封装策略,将无引脚封装结合铜夹技术推向市场,为满足48V电机驱动的应用,80V和100V MOSFET包括了市场电机驱动需要的热门封装:除了S3O8, SSO8单MOSFET, STOLL,TOLL封装,另外还有100V SSO8双MOSFET, 不同的封装,不同的导通电阻,不同的电压等级可以适用于几十瓦到几千瓦不同的功率等级,完美地满足了客户的各类需求。具体选型表可以访问英飞凌官网,并搜索“Automotive MOSFET”


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角度传感器

虽然无传感器控制,可以帮助客户在有些应用降低成本,例如水泵和冷却风扇。但在一些应用中,为了更精准的控制,客户会用到电机转子位置传感器,例如油泵。英飞凌位置传感器主要包括霍尔开关和磁阻角度传感器。


霍尔开关的产品系列中,我们既为电池供电的设计提供了过压能力高达42V(不加外部电阻的情况下),支持32V供电的TLE4961/TLE4964/TLE4968系列;也为EMC工况较好的设计提供了高性价比5V供电的TLE4963/TLE4965系列。用户可以根据实际系统设计和磁场需求选择合适的型号。详细信息可以访问英飞凌官网,并搜索“magnetic switch”。


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英飞凌霍尔开关和锁存器的产品序列


英飞凌还提供了各种基于磁阻效应(GMR,AMR,TMR)的角度传感器。我们既提供了计算完角度直接输出数字量信号的传感器TLE5012B/TLE5014,也提供了输出sin/cos信号的模拟量输出的传感器TLE5x09/TLE5501。对于精度的改善,TLE5012B内部带自校准算法;TLE5014内部带32点查找表补偿;TLE5x09和TLE5501的补偿算法可以集成在客户的MCU内,从而降低系统成本和实现更高的精度。客户可以根据实际需求选择合适的产品,详细信息可以访问英飞凌官网,并搜索“angle sensor”。


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英飞凌基于磁阻效应的角度传感器搭配磁铁的位置关系

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英飞凌基于磁阻效应的汽车级角度传感器的产品序列


评估板及系统方案验证

针对本文介绍的48V车身电机系统级驱动方案,英飞凌开发了对应的评估板,实物图如下所示。详细信息可以访问英飞凌官网,搜索:TLE9140EQW EVAL。


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电流波形


总结

英飞凌针对48V车身电机驱动提供了系统级解决方案,包括,MCU,driver, MOSFET和sensor。有相关需求的客户或者合作伙伴,可以联系英飞凌咨询或在官网留下你的联系方式。



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