采用 GaN ePower IC 的動(dòng)力轉(zhuǎn)向

在現(xiàn)代汽車中，增加的重量和更寬的前輪胎使得無(wú)輔助轉(zhuǎn)向變得不切實(shí)際，因?yàn)閷?duì)操作員的阻力增加了；因此，幾年前，采用了動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。起初，對(duì)駕駛員的輔助是通過(guò)液壓系統(tǒng)完成的，并使用始終運(yùn)行的泵為回路中使用的液體提供必要的壓力。然而，政府減少排放的呼吁要求汽車制造商轉(zhuǎn)向電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (EPS)。

借助 EPS，液壓系統(tǒng)被替換為僅在需要時(shí)輔助駕駛員的電動(dòng)機(jī)。它的數(shù)字輔助控制可以在線修改以適應(yīng)駕駛條件。然而，有幾個(gè)設(shè)計(jì)限制需要考慮。一是駕駛員不想缺少來(lái)自輪胎的觸覺(jué)反饋，尤其是當(dāng)車輛較大時(shí)，例如卡車。其他限制由安全法規(guī)確定，特別是對(duì)于自動(dòng)導(dǎo)引車。這些限制要求采用高效、準(zhǔn)確和冗余的系統(tǒng)。氮化鎵技術(shù)可以幫助所有這些領(lǐng)域的設(shè)計(jì)師。

不同類型的EPS

EPS 減少了能源消耗，因?yàn)樗鼉H在駕駛員啟動(dòng)方向盤(pán)時(shí)提供幫助。EPS 的一個(gè)缺點(diǎn)是模仿“傳統(tǒng)”液壓助力轉(zhuǎn)向的觸感面臨挑戰(zhàn)。EPS 的工作原理很簡(jiǎn)單：轉(zhuǎn)向柱上有傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)向角和扭矩，電子控制單元 (ECU) 分析信號(hào)并確定所需的助力量，以及安裝在轉(zhuǎn)向柱上的電動(dòng)機(jī)或根據(jù) ECU 的指令啟動(dòng)輔助力的齒條。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同，有幾種類型的 EPS 廣泛用于量產(chǎn)汽車。在這篇文章中，我們將看看其中的一些。

柱式 EPS（圖 1）廣泛用于小型經(jīng)濟(jì)型車輛。在柱式 EPS 中，電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向柱上并直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸。其優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單，造價(jià)低。由于電機(jī)位于儀表板內(nèi)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(jī)安裝在轉(zhuǎn)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。

平行軸 EPS（圖 2）的電機(jī)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，但也更準(zhǔn)確，并已被提供自動(dòng)駕駛輔助的汽車采用。

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

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（圖3）可以取消轉(zhuǎn)向柱以及方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向器之間的機(jī)械連接。車輛方向盤(pán)上的傳感器會(huì)感測(cè)每個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。與平行軸 EPS 一樣，齒條轉(zhuǎn)向器上的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生傳遞到橫拉桿的力。方向盤(pán)上的另一個(gè)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生駕駛員熟悉的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的觸覺(jué)反饋。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以通過(guò)電子方式進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)駕駛員的偏好。它已成為大型車輛必不可少的，例如農(nóng)業(yè)機(jī)械和卡車。

EPS逆變器說(shuō)明

控制連接到 EPS 中機(jī)架的電機(jī)的電子部件包括至少兩個(gè)提供冗余的逆變器。電機(jī)有三相、六相或九相，具體取決于車輛，每三相有一個(gè)逆變器。在單個(gè)三相電動(dòng)機(jī)的情況下，至少有兩個(gè)逆變器。在的系統(tǒng)中，電機(jī)在沒(méi)有傳感器的情況下使用傳統(tǒng)的磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 技術(shù)進(jìn)行控制。在駕駛輔助系統(tǒng)中，需要在零速下進(jìn)行的扭矩控制，這是通過(guò)高頻注入 (HFI) 算法獲得的。一個(gè)逆變器的框圖如圖 4 所示。

如圖 4 所示，在方向盤(pán)上使用了一個(gè)沒(méi)有冗余的類似系統(tǒng)，用于線控轉(zhuǎn)向就緒系統(tǒng)中的觸覺(jué)反饋。

在所有這些情況下，GaN 技術(shù)有助于提高效率、減小尺寸并確保優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件的高控制精度，從而提供改進(jìn)的性能和更安全的駕駛體驗(yàn)。

GaN FET 和 IC 有利于逆變器和電機(jī)

GaN 器件是功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的創(chuàng)新?；?GaN 的逆變器的優(yōu)勢(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中越來(lái)越明顯。1與對(duì)應(yīng)的硅 MOSFET 相比，GaN FET 的開(kāi)關(guān)速度更快，同時(shí)浪費(fèi)的開(kāi)關(guān)能量更少。此外，GaN FET 每平方毫米面積的導(dǎo)通電阻較低，這有助于縮小芯片尺寸并提高轉(zhuǎn)換器的功率密度。

與分立等效電路相比，使用 GaN 單片集成電路 (IC) 進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換具有更多優(yōu)勢(shì)。由于柵極驅(qū)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還降低了高側(cè)器件的共源電感。此外，得益于芯片級(jí)封裝，電源環(huán)路電感被降至。由于不需要外部柵極驅(qū)動(dòng)器，電路的整體尺寸減小了。使用 LGA 和 QFN 封裝簡(jiǎn)化了器件與散熱器的連接，增強(qiáng)了從結(jié)點(diǎn)到環(huán)境溫度的熱阻。

近，EPC 推出了其ePower級(jí) EPC23102, 2，它結(jié)合了前面描述的所有功能。EPC23102 的額定總線電壓為 100 V，可以在 1 MHz 的開(kāi)關(guān)頻率下向負(fù)載提供 35 A 的連續(xù)電流；集成功率 FET 的典型導(dǎo)通電阻為 6.6 mΩ。外部 5V 電源偏置內(nèi)部電路，輸入邏輯與 3.3V 和 5V CMOS 技術(shù)兼容。外部電阻器調(diào)整開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，因此設(shè)計(jì)人員可以在上升和下降時(shí)間以及過(guò)壓尖峰和振鈴之間定義折衷。內(nèi)部電路包括用于高側(cè)設(shè)備電源的電平轉(zhuǎn)換和同步自舉。EPC23102的框圖如圖5所示。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，GaN 逆變器可以以數(shù)百千赫茲的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，并將死區(qū)時(shí)間縮短至數(shù)十納秒。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)權(quán)衡 EMI、功耗和繞組絕緣要求來(lái)選擇應(yīng)用于電機(jī)繞組的轉(zhuǎn)換電壓斜率 (dV/dt)。這些應(yīng)用中通常使用 5 V/ns 的斜率。增加脈寬調(diào)制 (PWM) 頻率和減少死區(qū)時(shí)間可以減少輸入濾波器并僅使用陶瓷電容器。它還可以提高電機(jī)效率3因?yàn)槭┘与妷旱妮^低總諧波失真會(huì)產(chǎn)生諧波較少的施加扭矩。扭矩中的諧波會(huì)導(dǎo)致不希望的振動(dòng)，這只會(huì)導(dǎo)致機(jī)械損失。PWM 頻率增加的另一個(gè)重要影響如圖 6 所示，其中相同的電機(jī)在 100 kHz 接近飽和的高溫下運(yùn)行時(shí)，顯示出比在 20 kHz 下控制時(shí)更好的電流控制和更少的紋波。

將 PWM 頻率提高到 100 kHz 的能力也有利于 HFI 算法在零速和極低速下實(shí)現(xiàn)的電機(jī)控制。在這些條件下，基于間接反電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)的傳統(tǒng)無(wú)傳感器 FOC 算法不起作用。它們需要用調(diào)制信號(hào)的 HFI（在幾千赫茲的范圍內(nèi)）進(jìn)行升級(jí)，以確定轉(zhuǎn)子磁鐵的位置。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)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(cè)的精度越高，因此電機(jī)控制的精度越高。

EPC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)

基于 IC 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用允許使用更小的電路板和更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。EPC 發(fā)布了兩款使用 IC 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器參考設(shè)計(jì)板。

EPC9173 4是一款 1.5 kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，包含六個(gè) EPC23101 IC。PQFN 出色的熱性能使逆變器能夠在沒(méi)有散熱器的情況下為電機(jī)提供 20A RMS電流，在有散熱器的情況下為電機(jī)提供25A RMS電流，從而將裸片相對(duì)于環(huán)境的溫升保持在 50?C 以下開(kāi)關(guān)頻率高達(dá) 100 kHz。

EPC9176 5是一款 400-W 電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器，使用三個(gè) EPC23102 IC，具有 14-65 V 的寬輸入電壓范圍。它可以在沒(méi)有散熱器的情況下為電機(jī)提供 15-A RMS電流，在有散熱器的情況下為電機(jī)提供20-A RMS電流，對(duì)于高達(dá) 100 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率，自然對(duì)流冷卻可使芯片相對(duì)于環(huán)境的溫升保持在 60?C 以下。

EPC9173 和其他等效電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)（例如 EPC9167HC）可用作開(kāi)發(fā)和測(cè)試齒輪箱電機(jī) GaN 技術(shù)的起點(diǎn)。EPC9176 可用于農(nóng)業(yè)機(jī)械和卡車方向盤(pán)中的觸覺(jué)反饋電機(jī)。所有 EPC 電機(jī)參考設(shè)計(jì)都帶有從電源板到運(yùn)動(dòng)控制器的標(biāo)準(zhǔn)連接器，因此設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)電源板。EPC9173 參考設(shè)計(jì)板和開(kāi)關(guān)單元的放大細(xì)節(jié)如圖 7 所示。

電機(jī)逆變器板具有用于電流測(cè)量、相電壓檢測(cè)、直流母線電壓檢測(cè)的分流電阻器、用于傳感器控制和保護(hù)電路（如過(guò)流保護(hù)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(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，其開(kāi)關(guān)頻率通常因開(kāi)關(guān)損耗而限制在 40 kHz，死區(qū)時(shí)間通常在 200–500 ns 的范圍內(nèi)?；?GaN 的逆變器以數(shù)百千赫茲的頻率運(yùn)行，死區(qū)時(shí)間為數(shù)十納秒，消除了扭矩中的諧波，減少了振動(dòng)并提高了電機(jī)效率。當(dāng) HFI 算法與無(wú)傳感器 FOC 結(jié)合使用時(shí)，更高的 PWM 頻率可以在低速下實(shí)現(xiàn)更的電機(jī)控制。