48V 系統(tǒng)：典型輔助電源逆變器的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在我們之前關(guān)于 48V 汽車(chē)系統(tǒng)的文章中，我們提到更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)正在推動(dòng)新的汽車(chē)架構(gòu)。汽車(chē)制造商實(shí)現(xiàn) CO 2排放目標(biāo)的一種方式是采用輕度混合動(dòng)力配置。在這里，48V 鋰離子電池輔助內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)；儲(chǔ)存回收的能量；并為泵、風(fēng)扇、加熱器和壓縮機(jī)等輔助負(fù)載供電。這些輔助負(fù)載，以前可能由皮帶或液壓驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)在電氣化（電子負(fù)載）。但是，如何使用 48V 電池為電子負(fù)載供電？在本博客中，我將討論使用 48V 電池電源為無(wú)刷直流電機(jī) (BLDC) 供電的主要考慮因素。

BLDC 是高效電機(jī)，非常適合電池電子負(fù)載應(yīng)用。它們需要一個(gè)用于功率級(jí)的六晶體管逆變器（參見(jiàn)圖 1）。電源總線電壓（在本例中為 48V 電池）通過(guò) 10-50kHz 范圍內(nèi)的脈寬調(diào)制 (PWM) 順序施加到電機(jī)繞組，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。主微控制器控制換向，它根據(jù)霍爾傳感器或電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) (EMF) 計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，并為所需的電機(jī)速度和扭矩響應(yīng)生成 PWM 信號(hào)。通常，一個(gè)三相預(yù)驅(qū)動(dòng)器或三個(gè)半橋預(yù)驅(qū)動(dòng)器將驅(qū)動(dòng)功率晶體管。由前置驅(qū)動(dòng)器和晶體管組成的功率級(jí)在整體系統(tǒng)效率和性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

圖 1：功率逆變器

在設(shè)計(jì)功率級(jí)時(shí)，有許多關(guān)鍵考慮因素，包括直流總線電壓、功率晶體管選擇和柵極驅(qū)動(dòng)器選擇。

母線電壓

讓我們看一下電源總線電壓。這是一個(gè) 48V 電池，但當(dāng)然這是標(biāo)稱(chēng)電壓。電池電壓隨可用充電狀態(tài)、溫度和不同的充電/放電負(fù)載條件而變化。LV148 規(guī)范規(guī)定范圍在 24V 和 52V 之間，因此您需要能夠處理開(kāi)關(guān)電源節(jié)點(diǎn)電壓的預(yù)驅(qū)動(dòng)器和功率晶體管，以及一些潛在尖峰（感應(yīng)開(kāi)關(guān)、負(fù)載突降、反向電磁場(chǎng)）。在 48V 的情況下，可以在電源節(jié)點(diǎn)上處理至少 100V 的晶體管和驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

晶體管選擇

在輕度混合動(dòng)力應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)電池電量的最有效利用是實(shí)現(xiàn)每加侖英里數(shù) (mpg) 和 CO 2排放目標(biāo)的關(guān)鍵之一。高效的逆變器從晶體管選擇開(kāi)始。首先，考慮電機(jī)的額定電流，包括穩(wěn)態(tài)和啟動(dòng)（啟動(dòng)電流可能明顯高于穩(wěn)態(tài)）。晶體管的通態(tài)電阻 (R DSon ) 和相應(yīng)的電流額定值應(yīng)超過(guò)電機(jī)的峰值要求。

除了功率處理能力之外，MOSFET 的其他關(guān)鍵規(guī)格還包括柵極電荷 (Q G )、寄生電容 (C ISS、C RSS、C OSS ) 和體二極管特性。所有這些都會(huì)影響功率逆變器的效率。具有低 R DSon的大電流 MOSFET 可將傳導(dǎo)損耗 (I 2 R) 降至最低，但由于較高的柵極電荷和寄生效應(yīng)，通常具有較大的開(kāi)關(guān)損耗。圖 2 顯示了MOSFET 中導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗與 R DSon之間的權(quán)衡。

圖 2：開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗之間的權(quán)衡

考慮到應(yīng)用中相對(duì)較低的開(kāi)關(guān)頻率（<50kHz），傳導(dǎo)損耗將是功耗的很大一部分，因此低 R DSon MOSFET 非常重要。

柵極驅(qū)動(dòng)器選擇

開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用需要將柵極驅(qū)動(dòng)器與晶體管相匹配，以確保驅(qū)動(dòng)器能夠提供峰值電流并滿足應(yīng)用的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間。最佳開(kāi)關(guān)時(shí)間取決于所需的開(kāi)關(guān)頻率、可接受的電磁干擾 (EMI) 生成以及從驅(qū)動(dòng)器到柵極的走線長(zhǎng)度。

控制晶體管所需的峰值驅(qū)動(dòng)電流與柵極電荷和選擇的開(kāi)關(guān)時(shí)間成正比。等式 1 顯示了柵極電荷、所需開(kāi)關(guān)時(shí)間和所需驅(qū)動(dòng)電流之間的關(guān)系。

我建議選擇峰值電流能力為 1.5~2 * 的柵極驅(qū)動(dòng)器

在需要減慢轉(zhuǎn)換速度的情況下（例如降低 EMI），您可以添加一個(gè)柵極電阻；但是，這會(huì)增加一些延遲時(shí)間并增加開(kāi)關(guān)損耗。

對(duì)于此應(yīng)用，UCC272?01A-Q1  120V 3A 半橋驅(qū)動(dòng)器（符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)）和CSD19536KTT 100V N 溝道 NexFET? 功率 MOSFET 非常適合。

UCC27201A-Q1高頻N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)120-V自舉二極管和具有獨(dú)立輸入的高側(cè)/低側(cè)驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)最大的控制靈活性。這允許在半橋、全橋、雙開(kāi)關(guān)正激和有源箝位正激轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行N溝道MOSFET控制。低壓側(cè)和高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立控制，并在彼此的開(kāi)啟和關(guān)閉之間匹配1-ns。UCC27201A-Q1基于流行的UCC27200和UCC27201驅(qū)動(dòng)程序，但提供了一些增強(qiáng)功能。為了提高在嘈雜電源環(huán)境中的性能，UCC27201A-Q1能夠承受其HS引腳上的最大-18 V電壓。片內(nèi)自舉二極管消除了外部分立二極管。如果驅(qū)動(dòng)電壓低于規(guī)定閾值，高壓側(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器都提供欠壓鎖定，強(qiáng)制輸出為低。
UCC27201A-Q1具有TTL兼容閾值，采用10引腳VSON和帶熱墊的8引腳SOIC。