采用氮化鎵IC的電動(dòng)助力轉向

在現代汽車(chē)中，增加的重量和更寬的前輪胎使無(wú)輔助轉向變得不切實(shí)際，因為對操作員的阻力增加。因此，幾年前，采用了電動(dòng)助力轉向。一開(kāi)始，對駕駛員的輔助是通過(guò)液壓系統完成的，并且始終運行的泵用于為回路中使用的液體提供必要的壓力。然而，政府呼吁減少排放，要求汽車(chē)制造商轉向電動(dòng)助力轉向系統（EPS）。

  使用EPS，液壓系統被電動(dòng)機取代，該電動(dòng)機僅在需要時(shí)為駕駛員提供幫助。其數字輔助控制可以在線(xiàn)修改以適應駕駛條件。但是，有幾個(gè)設計約束需要考慮。一個(gè)是駕駛員不想缺少輪胎的觸覺(jué)反饋，尤其是當車(chē)輛很大時(shí)，例如卡車(chē)。其它限制由安全法規決定，特別是對于自動(dòng)駕駛車(chē)。這些限制要求采用高效、準確和冗余的系統。氮化鎵技術(shù)在所有這些領(lǐng)域為設計人員提供幫助。

不同類(lèi)型的EPS

      EPS降低了能耗，因為它僅在駕駛員驅動(dòng)方向盤(pán)時(shí)才提供輔助。EPS的一個(gè)缺點(diǎn)是模仿“傳統”液壓動(dòng)力轉向的觸覺(jué)具有挑戰性。EPS的工作原理很簡(jiǎn)單：轉向柱上有傳感器來(lái)檢測轉向角和扭矩，電子控制單元（ECU）分析信號并確定所需的輔助量，安裝在轉向柱或齒條上的電動(dòng)機根據ECU的指令驅動(dòng)輔助力。根據驅動(dòng)機構的不同，幾種類(lèi)型的EPS廣泛用于量產(chǎn)車(chē)。在本文中，我們將看看其中的一些。

  柱式EPS（圖1）廣泛用于小型經(jīng)濟型車(chē)輛。在柱式EPS中，電機安裝在轉向柱上，直接驅動(dòng)轉向軸。其優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，成本低。由于電機位于儀表板內部，因此不會(huì )受到水和極端溫度的影響;因此，可以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。電機安裝在轉向軸的頂部，增加了慣性和摩擦力，但消除了駕駛員的觸覺(jué)反饋。

圖1：柱式EPS。輔助電機位于紅色框內。

  平行軸EPS（圖2）將電機安裝在輪胎之間的齒條中。施工方法決定了成本和駕駛員在駕駛時(shí)的“感覺(jué)”。平行軸EPS更昂貴，但它也更準確，并且已被提供自動(dòng)駕駛輔助的汽車(chē)采用。

圖2：平行軸EPS。電機軸與紅色盒子內的機架平行。

  扭矩和位置傳感器位于方向盤(pán)和齒條中。電機通過(guò)皮帶和循環(huán)球齒輪箱直接連接到齒條，提供4：1的轉換比。出于安全原因，也根據車(chē)輛尺寸，電機繞組和逆變器是冗余的，即使在部分系統故障的情況下也能獲得幫助。由于該系統用于自動(dòng)駕駛系統，因此電機控制精度至關(guān)重要。

  線(xiàn)控轉向系統（圖3）可以消除轉向柱以及方向盤(pán)和轉向器之間的機械連接。車(chē)輛方向盤(pán)上的傳感器感應每個(gè)旋轉運動(dòng)。與平行軸EPS一樣，齒條轉向器上的電動(dòng)機產(chǎn)生傳遞到拉桿的力。方向盤(pán)上的另一個(gè)電動(dòng)機產(chǎn)生駕駛員熟悉的觸覺(jué)反饋，這些反饋來(lái)自傳統的轉向系統。該轉向系統可以通過(guò)電子方式進(jìn)行調整，以適應駕駛員的偏好。它已成為大型車(chē)輛（如農業(yè)機械和卡車(chē)）中必不可少的。

圖3：線(xiàn)控轉向就緒系統。紅色盒子里有兩個(gè)電機。

EPS逆變器說(shuō)明

  控制連接到EPS機架的電機的電子部分包括至少兩個(gè)提供冗余的逆變器。電機有三相、六相或九相，具體取決于車(chē)輛，每三相都有一個(gè)逆變器。在單個(gè)三相電機的情況下，至少有兩個(gè)逆變器。在最先進(jìn)的系統中，使用傳統的磁場(chǎng)定向控制（FOC）技術(shù)在沒(méi)有傳感器的情況下控制電機。在先進(jìn)的駕駛輔助系統中，需要零速時(shí)的精確扭矩控制，并且通過(guò)高頻注入（HFI）算法獲得。逆變器的框圖如圖4所示。

圖4：采用高頻注入的無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制

  如圖4所示，在方向盤(pán)上使用類(lèi)似的無(wú)冗余系統，用于線(xiàn)控轉向系統中的觸覺(jué)反饋。在所有這些情況下，氮化鎵技術(shù)有助于提高效率，減小尺寸并確保與傳統硅器件相比的高控制精度，從而提供更高的性能和更安全的駕駛體驗。

氮化鎵場(chǎng)效應晶體管和IC有利于逆變器和電機

  氮化鎵器件是功率轉換領(lǐng)域的領(lǐng)先創(chuàng )新。GaN基逆變器的優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢在電機驅動(dòng)應用中變得越來(lái)越明顯。¹與硅MOSFET相比，GaN FET的開(kāi)關(guān)速度更快，同時(shí)浪費的開(kāi)關(guān)能量更少。此外，GaN FET每平方毫米面積的導通電阻較低，這有助于縮小芯片尺寸并提高轉換器的功率密度。

  與分立式等效電路相比，使用GaN單片集成電路（IC）進(jìn)行功率轉換具有更多優(yōu)勢。由于柵極驅動(dòng)器和功率器件集成在同一芯片上，因此基本上消除了柵極環(huán)路電感。功率器件之間的短路徑也降低了高端器件的共源電感。此外，由于采用芯片級封裝，功率環(huán)路電感被最小化。電路的整體尺寸減小，因為不需要外部柵極驅動(dòng)器。使用LGA和QFN封裝簡(jiǎn)化了將器件連接到散熱器的過(guò)程，從而增強了從結點(diǎn)到環(huán)境溫度的熱阻。

  最近，EPC推出了其基于ePower平臺的EPC23102，²它結合了前面描述的所有功能。EPC23102的額定電壓100V，能夠以1MHz開(kāi)關(guān)頻率向負載提供35A連續電流。集成功率FET的典型導通電阻為6.6mΩ。外部5V電源偏置內部電路，輸入邏輯與3.3V和5V CMOS 技術(shù)兼容。外部電阻可調整開(kāi)關(guān)轉換，因此設計人員可以在上升和下降時(shí)間與過(guò)壓尖峰和振鈴之間定義最佳折衷方案。內部電路包括電平轉換和同步自舉，用于高側器件電源。EPC23102的框圖如圖5所示。

圖5：EPC23102框圖

  在電機驅動(dòng)應用中，氮化鎵逆變器可以以數百千赫茲的頻率切換，并將死區時(shí)間減少到幾十納秒。設計人員可以通過(guò)權衡EMI、功耗和繞組絕緣要求來(lái)選擇施加于電機繞組的過(guò)渡電壓變化率（dV/dt）。這些應用中通常使用5V/ns的變化率。增加脈寬調制（PWM）頻率并縮短死區時(shí)間可以減少輸入濾波器并僅使用陶瓷電容器。它還提高了電機效率³因為施加電壓的總諧波失真越低，產(chǎn)生的諧波就越少。扭矩中的諧波會(huì )引起不希望的振動(dòng)，這只會(huì )導致機械損失。PWM頻率增加的另一個(gè)基本影響如圖6所示，其中同一電機以100kHz開(kāi)關(guān)頻率在接近飽和的高溫下運行，與在20kHz下控制時(shí)相比，電流控制更好，紋波更小。

圖 6：在46A電流下接近飽和運行的相同電機在高溫和不同的PWM頻率下PK

  將PWM頻率提高到100kHz的能力也有利于HFI算法在零速和極低速度下進(jìn)行精確的電機控制。在這種情況下，基于間接反電動(dòng)勢傳感的傳統無(wú)傳感器FOC算法不起作用。它們需要通過(guò)調制信號的HFI（在幾千赫茲的范圍內）進(jìn)行檢測，以確定轉子磁體的位置。轉子位置檢測的精度取決于PWM頻率與注入頻率之間的比率。比率越高，位置檢測的精度就越高，因此電機控制的精度就越高。

EPC電機驅動(dòng)參考設計

  基于IC 的電機驅動(dòng)應用可實(shí)現更小的電路板和更簡(jiǎn)單的設計。EPC發(fā)布了兩款使用IC的電機驅動(dòng)逆變器參考設計板。

      EPC91734是一款1.5kW電機驅動(dòng)板，包括6個(gè)EPC23101 IC。PQFN封裝出色的熱性能使逆變器能夠提供20Arms（無(wú)散熱器）和25Arms（有散熱器）的電機電流，當開(kāi)關(guān)頻率高達50kHz時(shí)，芯片相對于環(huán)境溫度的升高保持在100°C以下。

      EPC91765是一款400W電機驅動(dòng)逆變器，采用三個(gè)EPC23102 IC，輸入電壓范圍為14–65V。當開(kāi)關(guān)頻率高達60kHz時(shí)，它可以提供 15Arms（無(wú)散熱器）和20A（有散熱器）的電機電流，自然對流冷卻使芯片相對于環(huán)境溫度的升高保持在100°C以下。

      EPC9173和其它電機驅動(dòng)參考設計（如 EPC9167HC）可用作開(kāi)發(fā)和測試齒輪箱電機氮化鎵技術(shù)的起點(diǎn)。EPC9176可用于農業(yè)機械和卡車(chē)方向盤(pán)中的觸覺(jué)反饋電機。所有EPC電機參考設計都附帶一個(gè)從功率板到運動(dòng)控制器的標準連接器，因此設計人員可以使用他們喜歡的控制器，而無(wú)需在初始開(kāi)發(fā)階段設計功率板。EPC9173參考設計板和開(kāi)關(guān)單元的放大細節如圖7所示。

圖7：采用QFN封裝EPC9173 GaN IC的EPC23101參考設計

  電機逆變器板具有用于電流測量、相電壓檢測、直流母線(xiàn)電壓檢測的分相電阻器、用于傳感器控制和保護電路（如過(guò)流保護和欠壓鎖定）的霍爾/編碼器接口。

  與基于硅MOSFET的逆變器相比，GaN器件在電機驅動(dòng)應用中具有多個(gè)優(yōu)勢，硅MOSFET逆變器開(kāi)關(guān)頻率通常受開(kāi)關(guān)損耗限制在40kHz，死區時(shí)間通常在200-500ns范圍內?；?/span>GaN的逆變器以數百千赫茲的頻率運行，死區時(shí)間為數十納秒，消除了扭矩中的諧波，減少了振動(dòng)，提高了電機效率。當HFI算法與無(wú)傳感器FOC結合使用時(shí)，較高的PWM頻率能在低速下實(shí)現更高的電機控制精度。