汽車 OEM 正在遷移到 BLDC，以最大限度地提高效率和可靠性。本文著眼于工程師在設(shè)計過程中應(yīng)考慮的重要參數(shù)，以實現(xiàn)這些目標(biāo)。

電磁感應(yīng) （EMI） 的發(fā)現(xiàn)改變了世界，預(yù)示著新時代的到來。今天，它涉及到每個部門、市場和行業(yè)。在許多方面，能夠隨意發(fā)電并將能量轉(zhuǎn)化為精確控制和規(guī)律性的運(yùn)動，是發(fā)達(dá)社會的標(biāo)志。

到目前為止，發(fā)電機(jī)和電動機(jī)是最常見和廣泛部署的 EMI 實施方案。除太陽能外，大部分可用電力都是通過這種方式產(chǎn)生的，要么是發(fā)電站的大型渦輪機(jī)，要么是風(fēng)能或波浪等可再生能源解決方案中的小型發(fā)電機(jī)。

作為對這種豐富能量的回應(yīng)，發(fā)電機(jī)的對應(yīng)物，電動機(jī)，已經(jīng)成功且不可分割地取代了純機(jī)械形式的動力。隨著電動汽車開始在我們的道路上普及，內(nèi)燃機(jī)也許是這一旅程中的最新一步。

然而，汽車工業(yè)向電力轉(zhuǎn)型還有一個中間步驟，那就是用電動機(jī)代替機(jī)械設(shè)備。

增加應(yīng)用

從消費(fèi)者的角度來看，汽車中最明顯的電動機(jī)用途可能是驅(qū)動電動車窗和座椅。中央鎖是另一個可以引用的應(yīng)用。在引擎蓋下，發(fā)生了更多的變化。電動機(jī)逐漸被指定為純機(jī)械選項，用于風(fēng)扇、泵（水、油、燃料）、動力轉(zhuǎn)向和防抱死制動以及自動變速器等功能。

原因很清楚；與機(jī)械替代品相比，電動機(jī)可提供更好的控制、更高的效率和更高的可靠性。過渡剛開始時，OEM 轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)和有刷換向電機(jī)，但最近汽車行業(yè)——與許多其他行業(yè)一樣——已轉(zhuǎn)向無刷直流電機(jī) （BLDC），這是有充分理由的。

BLDC 提供更高水平的效率，更好地控制更寬的動態(tài)范圍以及更大的扭矩。由于該技術(shù)是無刷的——從電氣角度來看，實際上是非接觸式的——它消除了有刷直流電機(jī)常見的所有電氣干擾。這有助于降低電磁干擾，這可能會給發(fā)動機(jī)控制單元 （ECU） 中更敏感的組件帶來問題。它還避免了有刷換向常見的電弧和隨后的磨損，這可能導(dǎo)致有刷直流電機(jī)的性能下降和最終故障。

當(dāng)然，用電氣替代品代替機(jī)械電機(jī)確實需要額外的控制電子設(shè)備。在 BLDC 的情況下，可以說，缺乏電接觸會加劇這種情況。有時通過使用霍爾效應(yīng)開關(guān)來控制 BLDC，該開關(guān)為控制回路提供必要的反饋。然而，最近，無傳感器 BLDC 變得流行，因為移除傳感器進(jìn)一步降低了物料清單。

為驅(qū)動 BLDC（帶傳感器和不帶傳感器）而開發(fā)的控制算法由微控制器 （MCU） 處理，這提供了額外的好處，即使用 CAN 或 LIN 提供相對簡單的車輛網(wǎng)絡(luò)集成。為汽車應(yīng)用中的電機(jī)驅(qū)動而設(shè)計的 MCU 還配備了預(yù)驅(qū)動級，以控制通過電機(jī)線圈提供高驅(qū)動電流所需的 MOSFET。最后階段對于定義整體電機(jī)驅(qū)動解決方案的效率至關(guān)重要，如下所述。

改進(jìn)的驅(qū)動器

BLDC 的驅(qū)動器電路通常包括 MOSFET，以產(chǎn)生和破壞由定子線圈產(chǎn)生的電磁場，圍繞由永磁體形成的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。檢測定子的位置對于在線圈中產(chǎn)生正確的勵磁場至關(guān)重要。在使用傳感器的 BLDC 中，檢測到的是磁場，而在無傳感器版本中，控制電路測量反電動勢以確定定子位置。

無論哪種方式，線圈都通過以橋式拓?fù)渑帕械?MOSFET 供電。MOSFET 的選擇是影響 BLDC 整體效率和性能的主要因素。數(shù)據(jù)表中提供的數(shù)據(jù)是在特定條件下使用的，可能與實際應(yīng)用的操作條件一致，也可能不一致。因此，在選擇最合適的 MOSFET 之前必須了解應(yīng)用。

同樣，所選 MOSFET 的工作參數(shù)將對整個解決方案產(chǎn)生直接而重大的影響。仔細(xì)考慮這些參數(shù)將確保選擇的 MOSFET 最符合要求。

一般來說，應(yīng)該考慮三個主要方面：可靠性、效率和設(shè)計。可靠性與設(shè)備的極限有關(guān)，并確保在正常操作期間永遠(yuǎn)不會測試這些極限。具體而言，這涉及選擇具有擊穿電壓的器件，該器件可提供足夠的保護(hù)，防止可能通過其他設(shè)計選擇引入的瞬變。例如，對于使用 12V 電源運(yùn)行的 BLDC，40V 的擊穿電壓就足夠了。同樣，在 24V 系統(tǒng)中，擊穿電壓為 60V 的 MOSFET 將提供足夠的保護(hù)?？紤]漏源電流額定值也很重要，特別是在浪涌或脈沖條件下。在 BLDC 應(yīng)用中，啟動或失速電流可能超過滿載電流的三倍，

就 MOSFET 而言，效率通常表示器件管理散熱的能力，尤其是在結(jié)處。良好的熱設(shè)計總是必要的，尤其是在汽車等環(huán)境溫度較高的環(huán)境中，但在選擇 MOSFET 時應(yīng)考慮幾個參數(shù)。這些包括導(dǎo)通電阻、Rds（on） 和柵極電荷 （Qg）。這兩個參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的；較大的 MOSFET 可以產(chǎn)生較低的導(dǎo)通電阻，但也會導(dǎo)致較高的柵極電荷。這會對 BLDC 驅(qū)動器等開關(guān)應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。

溫度系數(shù)

驅(qū)動具有三相（線圈）的 BLDC 通常是通過 MCU 生成的 PWM（脈寬調(diào)制）信號來實現(xiàn)的，用于為每個相供電。圖 1 顯示了 BLDC 相位的典型橋接電路。如果兩個 MOSFET 同時開啟，則會導(dǎo)致?lián)舸?，從而產(chǎn)生災(zāi)難性影響。為了解決這個問題，將在 PWM 信號中設(shè)計一個周期，稱為死區(qū)時間，以確保在任何給定時間只有預(yù)期的 MOSFET 導(dǎo)通。MOSFET 的開關(guān)時間將影響所需的死區(qū)時間長度，該參數(shù)也受器件柵極電荷的影響。在死區(qū)時間期間，MOSFET 的體二極管提供了一個換流路徑，這又不是理想的，因為二極管導(dǎo)通時的功率損耗較高。

每個 MOSFET 都會表現(xiàn)出動態(tài)電容（圖 1 中的 Crss）；這是一個可能導(dǎo)致?lián)舸┑膮?shù)。該參數(shù)與 Rg 相結(jié)合，在開關(guān)期間，可能會導(dǎo)致低端 MOSFET 的柵極電荷上升到足以將其導(dǎo)通的水平。

圖 1. 用于驅(qū)動 BLDC 電機(jī)相位的典型橋式電路

對于 BLDC 驅(qū)動等開關(guān)應(yīng)用應(yīng)考慮的另一個重要參數(shù)是零溫度系數(shù) （ZTC） 點。如圖 2 所示，這是傳輸曲線上的一個點（漏極電流，［ID］，與柵源電壓，［VGS］）。在該點以下運(yùn)行器件會導(dǎo)致漏極電流為正溫度系數(shù)，而在該點以上運(yùn)行器件會導(dǎo)致漏極電流為負(fù)溫度系數(shù)。圖 2a 顯示了低密度平面 MOSFET （ ZXM61N03F ） 的傳輸特性，圖 2b 顯示了高密度平面 MOSFET （ ZXMN3A01E6 ） 的傳輸特性）。通常，建議在負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域運(yùn)行設(shè)備。圖 2b 中的器件利用更大的溝槽密度來增加通道中垂直電流流動路徑的數(shù)量。這具有降低 Rds（on） 的積極作用，盡管也會導(dǎo)致更高的 ZTC 點。

圖 2a（左）。低密度平面 MOSFET ZXM61N03F

圖 2b（右）。高密度溝槽MOSFET ZXMN3A01E6

對于給定尺寸，N 溝道 MOSFET 通常具有等效 P 溝道器件的一半 Rds（on），因此在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中通常指定 N 溝道 MOSFET。圖 3 顯示了使用 N 溝道 MOSFET 的全橋電機(jī)驅(qū)動電路的五個階段。同樣重要的是要注意，由于 MOSFET 的體二極管，此類電路會受到反向恢復(fù)電流的影響。能夠最小化死區(qū)時間的 PWM 算法可以減少這些影響，同時還建議指定具有快速恢復(fù)并聯(lián)二極管的 MOSFET。

圖 3. 顯示換向序列和體二極管恢復(fù)相關(guān)擊穿的電路

結(jié)論

汽車 OEM 越來越多地指定無刷直流電機(jī)。它們提供更高的效率、更高的可靠性和更多功能的控制，包括更換機(jī)械泵和風(fēng)扇。

驅(qū)動 BLDC 需要將用于控制的高級 MCU 與適當(dāng)指定的 MOSFET 相結(jié)合以提供電力。熱管理是良好設(shè)計的核心，這延伸到了解如何使用正確的 MOSFET 設(shè)計最好地滿足 BLDC 驅(qū)動電路的獨(dú)特要求。

通過了解和評估相關(guān)參數(shù)，工程師可以為任務(wù)選擇正確的 MOSFET，即使在最惡劣的環(huán)境中也能確保最高的可靠性和效率。