具有功能安全特點(diǎn)的EPS電控系統方案(下)

接上期
2)功率電路
EPS系統的功率電路主要實(shí)現三部分功能。一，由6個(gè) N-MOSFET組成的三相逆變全橋的逆變功能；二，由串聯(lián)在 三相橋上方的N-MOSFET實(shí)現的電池反接保護功能；三，執 行功能安全關(guān)斷輸出命令的相切斷功能。
總的來(lái)說(shuō)，功率電路首要考慮的是可靠性和效率。
先說(shuō)效率，除精細的FOC電機控制方法外，MOSFET 器件本身是效率的另一個(gè)決定因素。好的MOSFET意味著(zhù) 更低的RDS(ON)、更低的開(kāi)關(guān)損耗，功率電路才可能有更高 的效率。EPS系統功率從300W到幾千瓦不等，對MOSFET 的電流跨度要求也很大。 圖7方案里40V的Infineon汽車(chē)級 N-MOSFET完全能滿(mǎn)足這個(gè)功率范圍的不同需求，并且有著(zhù) 業(yè)內領(lǐng)先的導通和開(kāi)關(guān)損耗。
可靠性針對不同功能涉及的內容也不同。對于三相逆 變全橋來(lái)說(shuō)，因其工作原理非常成熟，所以這部分的可靠性 主要受制于系統設計能力、PCB布局走線(xiàn)、電磁兼容EMC以 及熱設計等相關(guān)的設計能力。英飛凌北京汽車(chē)系統工程部在 這幾方面積累了多年的經(jīng)驗，尤其是在用單層鋁基板實(shí)現方 式上有著(zhù)非常成熟的方案。
對于串聯(lián)在三相橋上方的N-MOSFET的電池反接保護
功能，由于實(shí)現比較容易，所以其可靠性主要體現在原理層 面。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，驅動(dòng)防反N-MOSFET需要一個(gè)上浮的門(mén)極驅 動(dòng)電源和一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號。門(mén)極驅動(dòng)電源來(lái)自TLE9180的 上管驅動(dòng)專(zhuān)用電源管腳。開(kāi)關(guān)控制信號一般由MCU的一個(gè) 普通I/O管腳產(chǎn)生即可。當電池極性正常連接時(shí)，TLE9180 的上管驅動(dòng)專(zhuān)用電源正常工作，MCU控制I/O管腳將門(mén)極 驅動(dòng)電源輸出給防反N-MOSFET的門(mén)極，防反N-MOSFET 導 通 并 一 直 維 持 導 通 狀 態(tài) 。 一 旦 電 池 極 性 接 反 后 ， 由 于 TLE9180沒(méi)有正常供電，不能產(chǎn)生上管驅動(dòng)電源，因而防反N-MOSFET門(mén)極沒(méi)有驅動(dòng)信號，呈關(guān)閉狀態(tài)。
下面重點(diǎn)介紹相切斷單元。首先要說(shuō)明使用相切斷單 元的背景及原因。傳統的EPS配有電磁離合器，裝在減速機 構與電機之間，作用是保證EPS系統只在設定的行駛車(chē)速范 圍內起作用。當車(chē)速達到界限值時(shí)，離合器分離，電機停止 工作，轉向系統成為手動(dòng)轉向系統。另外，當電機發(fā)生故障 時(shí)，離合器將自動(dòng)分離。而新一代的EPS已經(jīng)取消電磁離合 器，因為汽車(chē)高速時(shí)，仍需電機提供阻尼，實(shí)現高速時(shí)的沉 穩感。另外，因電機軸承故障而卡住電機輸出軸的概率遠 比EPS電控逆變電路出故障而短路相繞組的概率低，所以目 前的主流技術(shù)只考慮發(fā)生故障時(shí)用電子開(kāi)關(guān)EPS電控功率電 路和電機。早期機械繼電器切斷功率電路和電機，但因其 體積大、成本高、抗震差等缺點(diǎn)而被淘汰。取而代之的是 MOSFET。
用MOSFET實(shí)現相切斷功能有幾個(gè)棘手的問(wèn)題。1. 其所 處的電路位置造成很難有續流回路。2. 相切斷MOSFET關(guān)斷 時(shí)的關(guān)斷電流通常都是故障電流，其值比較大，通常會(huì )超過(guò)
100A。3. 關(guān)斷時(shí)的故障電流的上升速率不可預知。di/dt有 時(shí)會(huì )很高，尤其是在轉子位置和導通的MOSFET嚴重不匹配
時(shí)。
所以，要實(shí)現相切斷MOSFET單元真正的產(chǎn)業(yè)化應用， 必須要解決幾個(gè)問(wèn)題。1. 提供3個(gè)相切斷MOSFET在關(guān)斷后 的電機電感續流回路；2. 要有適當的策略、方法和必要的電 路來(lái)可靠關(guān)斷故障電流。
3)外圍傳感器 采用三相PMSM或BLDC電機實(shí)現的EPS系統需要三類(lèi)
傳感器。第一類(lèi)是三相PMSM或BLDC電機控制用的轉子位 置傳感器；第二類(lèi)是EPS方向盤(pán)扭矩傳感器；第三類(lèi)是EPS 方向盤(pán)轉角傳感器。這三類(lèi)都是EPS系統涉及功能安全的關(guān) 鍵元器件。功能安全對關(guān)鍵輸入信號的基本要求是要有冗余
備份。
(a)三相PMSM或BLDC電機控制用的轉子位置傳感器 為實(shí)現三相PMSM或BLDC電機扭矩的精準控制和減小
扭矩波動(dòng)，主流技術(shù)是采用FOC磁場(chǎng)定向控制方法。為實(shí)現 FOC控制需要知道實(shí)時(shí)電機轉子相對于定子的角度信號，即 轉子位置信號。主流的轉子位置傳感器有兩種：帶霍爾的增 量編碼器和旋轉變壓器。相較于Infineon的巨磁阻效應的兩 類(lèi)傳感器TLE5309D和TLE5012BD，旋轉變壓器和帶霍爾的 增量編碼器價(jià)格貴很多。圖7給出的方案是用戶(hù)在這4種傳感 器中任選兩個(gè)作為一個(gè)組合用于功能安全的轉子位置檢測。 TLE5309D是Infineon應ISO26262的要求專(zhuān)門(mén)為EPS系統 應用設計的Dual-sensor封裝的角度傳感器芯片。Dual-sensor 封裝技術(shù)是將兩個(gè)完全獨立的傳感器芯片集成在一個(gè)塑封封 裝里，既實(shí)現了冗余又減小了體積。TLE5309D內部晶圓上 面集成了一個(gè)GMR(巨磁阻效應)傳感器芯片，晶圓下面集 成了一個(gè)AMR(異向性磁阻效應)傳感器芯片。每個(gè)芯片的輸 出信號都是兩路差分模擬信號。AMR和GMR芯片輸出的角 度精度分別是0.1和0.6度。TLE5309D的特點(diǎn)是速度更快、精
度更高。
TLE5012BD角度傳感器芯片也是Infineon應ISO26262的 要求專(zhuān)門(mén)為EPS系統應用設計的Dual-sensor封裝的角度傳感 器芯片。不同的是在TLE5012BD內部晶圓上下分別集成了兩 個(gè)完全一樣，且完全獨立的GMR芯片。輸出形式也不同，有三線(xiàn)SPI、增量編碼器協(xié)議、PWM協(xié)議、霍爾協(xié)議等幾種
不同協(xié)議的組合。TLE5012BD的特點(diǎn)是輸出協(xié)議方便、靈 活、通用化，并且是數字信號輸出。
(b)EPS方向盤(pán)扭矩傳感器
T L E 4 9 9 8 x 8 D 系 列 線(xiàn) 性 霍 爾 傳 感 器 芯 片 是 In f i n eo n 應 ISO26262的要求專(zhuān)門(mén)為EPS系統應用設計的Dual-sensor封裝 的方向盤(pán)扭矩傳感器芯片。TLE4998x芯片內部集成了數字 信號處理器，將模擬的扭矩信號轉換為數字信號并以常用 的SENT(Single Edge Nibble Transmission)和PWM通訊協(xié)議輸 出。因為內部集成了兩個(gè)完全一樣的TLE4998x芯片，如果 不需要更多的冗余備份的話(huà)，一片TLE4998x8D就能滿(mǎn)足EPS 扭矩傳感器的要求。
(c)EPS方向盤(pán)轉角傳感器
TLE5012BD角度傳感器芯片也能用于方向盤(pán)轉角傳感 器。如前所述，一片TLE5012BD就能滿(mǎn)足EPS方向盤(pán)轉角傳 感器的需求。

5  結束語(yǔ)
隨著(zhù)電動(dòng)助力轉向EPS的逐漸普及，EPS的安全要求也 越來(lái)越高。本文從功能安全的視角介紹了英飛凌的EPS電控 系統解決方案，由此可見(jiàn)，英飛凌不僅能提供具有功能安全 特點(diǎn)的一攬子芯片，同時(shí)還有能力提供EPS系統級的技術(shù)支 持。