【導(dǎo)讀】皮帶驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電機(jī) (BSG) 是混合動(dòng)力汽車 (HEV) 和電動(dòng)汽車 (EV) 系統(tǒng)不可或缺的一部分，因?yàn)樗兄跍p少內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的碳排放。啟動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車架構(gòu)中扮演著多重角色。它們負(fù)責(zé)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的電力，并在減速或滑行期間產(chǎn)生充電電壓，從而減少機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的磨損，同時(shí)提高整體系統(tǒng)效率。
皮帶驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電機(jī) (BSG) 是混合動(dòng)力汽車 (HEV) 和電動(dòng)汽車 (EV) 系統(tǒng)不可或缺的一部分，因?yàn)樗兄跍p少內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的碳排放。啟動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車架構(gòu)中扮演著多重角色。它們負(fù)責(zé)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的電力，并在減速或滑行期間產(chǎn)生充電電壓，從而減少機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的磨損，同時(shí)提高整體系統(tǒng)效率。
無(wú)論架構(gòu)或位置如何，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)已被證明是車輛電氣化的重要組成部分。啟動(dòng)發(fā)電機(jī)可用于車輛內(nèi)的多個(gè)位置。圖 1 顯示了主要啟動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的位置。P0 和 P1 位置通常小于 20 kW。P0 系統(tǒng)正變得非常普遍，因?yàn)樗鼈兏菀讓?shí)施，需要的重新設(shè)計(jì)更少，而且成本效益高。P1 位置具有類似的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)消除了皮帶損耗，從而提高了性能并減少了磨損。
圖1
啟動(dòng)發(fā)電機(jī)電路的實(shí)現(xiàn)
啟動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由多個(gè)電氣和機(jī)械組件組成。逆變器提供電力驅(qū)動(dòng)，DC-DC 轉(zhuǎn)換器則在能量收集模式下將轉(zhuǎn)子中的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。該系統(tǒng)還負(fù)責(zé)怠速停止系統(tǒng)中的曲軸位置以及冷啟動(dòng)所需的高啟動(dòng)扭矩。從機(jī)械角度來(lái)看，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)包括定子（連接到三相逆變器）和轉(zhuǎn)子（通過滑環(huán)和電刷使直流電通過轉(zhuǎn)子繞組來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)）。使用永磁電機(jī)的新設(shè)計(jì)可以消除對(duì)勵(lì)磁線圈的需求，但這種方法帶來(lái)了其他安全挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诠收锨闆r下無(wú)法關(guān)閉磁化。圖 2 顯示了五相電機(jī)的典型電路實(shí)現(xiàn)。
圖2
12V 和 48V 系統(tǒng)的通用電流、驅(qū)動(dòng)和位置傳感器解決方案
BSG系統(tǒng)用于 12V 和 48V 電源軌。12V BSG 系統(tǒng)無(wú)法提供與 48V 啟動(dòng)發(fā)電機(jī)相同的功率優(yōu)勢(shì)。通常，12V 系統(tǒng)的功率限制在 < 10 kW，而 48V 系統(tǒng)可以產(chǎn)生高達(dá) 25 kW 或更高的功率。隨著功率的增加，對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器以及電流傳感器的需求也隨之增加。對(duì)于 P0/P1 位置，使用適用于 12V 和 48V 電池的通用架構(gòu)是有利的，只需要很少的額外組件或重新設(shè)計(jì)。使用通用架構(gòu)可以減少設(shè)計(jì)時(shí)間和物料清單 (BOM) 成本，并為 12V 和 48V 系統(tǒng)中的螺栓固定式 BSG 系統(tǒng)提供單一平臺(tái)。
AMT49502 半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的工作電壓范圍為 5.5 V 至 80 V，使其成為在 12V 或 48V 電源軌上運(yùn)行的 BSG 應(yīng)用的多功能平臺(tái)。該器件的電荷泵穩(wěn)壓器為兩個(gè) N 溝道 MOSFET 提供柵極驅(qū)動(dòng)。圖 3 顯示了半橋設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖。只需要單個(gè)電源，所有內(nèi)部邏輯均由電荷泵穩(wěn)壓器供電的片上邏輯電源穩(wěn)壓器創(chuàng)建。該穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)向浮動(dòng)自舉電容提供穩(wěn)壓的 11 V 電壓，從而確保高側(cè) MOSFET 在電池電壓為 5.5 V 時(shí)柵極上有 11 V 電壓。電荷泵穩(wěn)壓器還為內(nèi)部邏輯供電，從而降低了芯片的整體功耗。最大限度地降低功耗是在 48V 下運(yùn)行而無(wú)需降壓穩(wěn)壓的關(guān)鍵。此外，一個(gè)小型集成電荷泵負(fù)責(zé)以 100% 的占空比保持高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通。
Allegro 還提供各種電流檢測(cè)選項(xiàng)，它們都具有類似的模擬接口，可以反饋給微處理器，從而通過冗余實(shí)現(xiàn)全磁場(chǎng)定向控制 (FOC)。對(duì)于低功率系統(tǒng)，AMT49502 具有一個(gè)集成的高性能電流檢測(cè)放大器，可測(cè)量通過低側(cè)電流分流器的電流。隨著功率的增加，基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器提供的功耗比必要的并聯(lián)電阻器低得多，尺寸也更小。它們的電流隔離也意味著它們可以放置在高側(cè)、低側(cè)或同相，從而在系統(tǒng)級(jí)別為控制和短路檢測(cè)提供靈活性。對(duì)于轉(zhuǎn)子線圈中常見的電流，Allegro 的集成導(dǎo)體 ACS71240 提供了一種精確、高效且小巧的解決方案。對(duì)于電機(jī)相中看到的更高電流，常見的解決方案是 C 型磁性的 ACS70310/1 或無(wú)磁芯 ACS37612/10 解決方案。所有這些解決方案都提供了冗余方法以及內(nèi)置診斷功能。ACS71240 和 ACS37610 都提供內(nèi)置過流檢測(cè)，而 ACS37610 提供過溫檢測(cè)。AMT49502 中的每個(gè) MOSFET 都可以使用邏輯輸入以及輔助 ENABLE 輸入獨(dú)立控制，該輸入提供了一條獨(dú)立的路徑來(lái)禁用橋接器或激活睡眠模式。還可以使用串行外設(shè)接口 (SPI) 端口讀出診斷信息并設(shè)置功能參數(shù)。
為了進(jìn)一步支持啟動(dòng)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，Allegro 提供了完整系列的磁角度傳感器，適用于各種電機(jī)位置檢測(cè)應(yīng)用。高分辨率 A1333 和 AAS33001 角度傳感器提供旋轉(zhuǎn)電機(jī)位置信息，可用作正弦換向電機(jī)控制方案的一部分。這種電機(jī)控制方案為啟動(dòng)發(fā)電機(jī)帶來(lái)了高效率和改進(jìn)的扭矩性能。此外，Allegro 還可以通過全套磁性霍爾傳感器產(chǎn)品組合支持傳統(tǒng)的塊換向電機(jī)控制方法。
總的來(lái)說(shuō)，使用 AMT49502、Allegro 電流傳感器 IC 和電機(jī)位置傳感器設(shè)計(jì)的 BSG 可用于 12V 和 48V 系統(tǒng)，并且可以輕松擴(kuò)展功率。
圖3
專為嚴(yán)苛環(huán)境而設(shè)計(jì)
啟動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)會(huì)在逆變器橋上產(chǎn)生高電壓。在發(fā)電機(jī)模式下，逆變器的作用是將三相電流轉(zhuǎn)換為直流電壓和電流，并將其作為充電施加到 12V 或 48V 電池系統(tǒng)。最終，電機(jī)產(chǎn)生的電壓取決于轉(zhuǎn)速。對(duì)于逆變器橋來(lái)說(shuō)，在高速旋轉(zhuǎn)期間以及從驅(qū)動(dòng)模式到發(fā)電機(jī)模式的轉(zhuǎn)換期間承受電壓瞬變非常重要。柵極驅(qū)動(dòng)器必須足夠堅(jiān)固，才能處理系統(tǒng)中存在的高電流和電壓瞬變。通過將柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)為能夠承受這些瞬變，開發(fā)人員可以節(jié)省寶貴的設(shè)計(jì)時(shí)間，并盡最大限度地減少添加高壓鉗位電路以保護(hù)系統(tǒng)的額外成本。當(dāng)高側(cè) MOSFET 在發(fā)電機(jī)模式下關(guān)閉時(shí)，橋上的電壓瞬變會(huì)在低側(cè)驅(qū)動(dòng)器上產(chǎn)生超過 5 V 的負(fù)電壓，在相位節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生超過 10 V 的負(fù)電壓。
如圖 4 所示，AMT49502 柵極驅(qū)動(dòng)器可以承受低側(cè)柵極上的 –8 V 電壓和相對(duì)于相位節(jié)點(diǎn)的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器上的 –18 V 電壓。強(qiáng)大的瞬態(tài)性能和智能控制算法的結(jié)合可以確保即使是高功率系統(tǒng)也不會(huì)損壞逆變器。EV 組件必須足夠堅(jiān)固，才能處理負(fù)電壓瞬變并通過主機(jī)廠的電磁輻射要求。啟動(dòng)發(fā)電機(jī)逆變器需要快速切換以保持效率，同時(shí)盡可能地減少排放。它們還必須限制電磁輻射的幅度，以滿足 主機(jī)廠的嚴(yán)格要求。
為了兼顧高效率和低電磁輻射，AMT49502 驅(qū)動(dòng)器采用分段可編程電流柵極驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許控制系統(tǒng)中所有 MOSFET 的開啟和關(guān)閉。MOSFET 從關(guān)斷到開啟以及從開啟到關(guān)斷的轉(zhuǎn)換均受控制，如圖 5 中的詳細(xì)信息所示。所有參數(shù)均通過 SPI 端口進(jìn)行編程
圖4
當(dāng)命令柵極驅(qū)動(dòng)器開啟時(shí)，電流 I1 會(huì)在高側(cè)或低側(cè)柵極端子上持續(xù) t1 的時(shí)間。通常應(yīng)設(shè)置這些參數(shù)以快速將 MOSFET 輸入電容充電至米勒區(qū)域的起始點(diǎn)，因?yàn)樵诖似陂g漏源電壓不會(huì)改變。此后，GH 或 GL 上的電流源設(shè)置為值 I2，并在 MOSFET 轉(zhuǎn)換通過米勒區(qū)域并達(dá)到完全導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)保持該值。
圖5
MOSFET 從開啟到關(guān)斷的轉(zhuǎn)換如圖 5 所示。當(dāng)命令柵極驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉時(shí)，電流 I1 會(huì)在高側(cè)或低側(cè)柵極端子上持續(xù) t1 的時(shí)間被吸收。通常應(yīng)設(shè)置這些參數(shù)以快速將 MOSFET 輸入電容放電至米勒區(qū)域的起始點(diǎn)，因?yàn)樵诖似陂g漏源電壓不會(huì)改變。此后，高側(cè)或低側(cè)柵極端子吸收的電流設(shè)置為值 I2，并在 MOSFET 轉(zhuǎn)換通過米勒區(qū)域并達(dá)到完全關(guān)斷狀態(tài)時(shí)保持該值。
完全控制 MOSFET 開關(guān)可提高效率并降低 EMI。減少 MOSFET 達(dá)到其 Vt 所需的死區(qū)時(shí)間和時(shí)間可通過非常大限度地減少高側(cè)和低側(cè) MOSFET 開關(guān)的時(shí)間來(lái)提高逆變器性能，并提高正弦電流的保真度。米勒區(qū)域期間的可編程電流控制 MOSFET 的壓擺率，從而在保持高效開關(guān)時(shí)間的同時(shí)限制輻射。
Allegro AMT49100 三相柵極驅(qū)動(dòng)器具有 ASIL D 認(rèn)證，可用于純 48V 系統(tǒng)。使用板載三相驅(qū)動(dòng)器可縮小封裝內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)更小的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。AMT49100 提供額外的診斷功能，并且能夠使用內(nèi)置測(cè)試電路驗(yàn)證每個(gè)診斷。對(duì)于單驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，此額外的診斷和驗(yàn)證功能提供了一定程度的功能安全性，可以將各種故障通知發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 (ECU)。
某些 48V 設(shè)計(jì)可能會(huì)受益于超小型柵極驅(qū)動(dòng)器。例如，3 mm × 3 mm DFN 封裝中的 10 至 100 V A89500 半橋柵極驅(qū)動(dòng)器非常小，可以減少整體印刷電路板 (PCB) 空間。該器件可用于勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)器以及經(jīng)過適當(dāng)安全分析的逆變器。該驅(qū)動(dòng)器直接由 8 至 13 V 柵極電源供電，場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 橋直接連接到 48V 電池。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見圖 6。
圖6
安全設(shè)計(jì)
啟動(dòng)發(fā)電機(jī)故障會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池組過度充電，如果電池短路，這可能會(huì)很危險(xiǎn)。因此，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)電路必須符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)，通常需要“B”級(jí)認(rèn)證。例如，當(dāng)發(fā)電機(jī)仍在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，逆變器橋中的故障會(huì)導(dǎo)致過充電情況。在五相系統(tǒng)中，一種解決方案是通過禁用勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)器來(lái)有效消除轉(zhuǎn)子上的磁場(chǎng)。在此實(shí)現(xiàn)中，設(shè)計(jì)對(duì)于開發(fā)故障安全系統(tǒng)至關(guān)重要。如果系統(tǒng)中的柵極驅(qū)動(dòng)器是為安全而設(shè)計(jì)的，則可以更容易地滿足要求。例如，AMT49502 是在 ISO 26262 認(rèn)證的開發(fā)流程上設(shè)計(jì)的，并且該器件已通過 ASIL B 認(rèn)證。
每個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器都具有一套先進(jìn)的診斷功能，包含近 20 項(xiàng)診斷功能，包括負(fù)載突降檢測(cè)、MOSFET 短路保護(hù)、柵極驅(qū)動(dòng)欠壓、橋接電源過壓、溫度警告和其他情況。IC 診斷功能為系統(tǒng)控制器提供必要的監(jiān)控操作信息，并就系統(tǒng)為確保故障安全操作而采取的措施做出決策。圖 7 顯示了 AMT49502 柵極驅(qū)動(dòng)器支持的診斷功能。
同樣，Allegro 提供的霍爾效應(yīng)電流檢測(cè)和電機(jī)位置解決方案在設(shè)計(jì)時(shí)也考慮到了安全性。在電流傳感器產(chǎn)品組合中，ACS71240、ACS70310/1 和 ACS37612/10 均為 QM，提供安全相關(guān)文檔，并用于系統(tǒng)級(jí)額定值高達(dá) ASIL D 的應(yīng)用。在角度傳感器產(chǎn)品組合中，A1333 和 AAS33001 可以作為上下文外的安全元件，單芯片和雙芯片產(chǎn)品分別具有 ASIL B 或 D 額定值。
圖7
結(jié)論
由于易于實(shí)施、與現(xiàn)有交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)類似的尺寸以及無(wú)需對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行重大修改（在 P2 – P4 位置），BSG 系統(tǒng)在 HEV 電機(jī)控制設(shè)計(jì)中變得越來(lái)越普遍。隨著啟動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，進(jìn)一步的集成可能會(huì)隨著時(shí)間的推移影響 BSG 的作用。展望未來(lái)，48V 系統(tǒng)可能會(huì)在 P3 – P4 位置占據(jù)主導(dǎo)地位。
隨著電氣革命繼續(xù)改變汽車行業(yè)，電氣化將繼續(xù)獲得市場(chǎng)份額。使用適用于 12V 和 48V 系統(tǒng)的通用平臺(tái)將簡(jiǎn)化向 48V 解決方案的過渡。啟動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)還將受益于行業(yè)領(lǐng)先的安全診斷、獨(dú)立橋接控制提供的冗余、電流檢測(cè)以及具有強(qiáng)大瞬態(tài)性能的電機(jī)位置傳感器。
從 12V 到 48V 的轉(zhuǎn)變是汽車行業(yè)的大勢(shì)所趨。48V 系統(tǒng)憑借其諸多優(yōu)勢(shì)，將成為下一代高效、強(qiáng)勁且環(huán)保的汽車關(guān)鍵推動(dòng)力。
*本文內(nèi)容改編自 Dan Jacques 發(fā)表在《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)》的文章《12V 和 48V 系統(tǒng)的通用驅(qū)動(dòng)平臺(tái)》。
（來(lái)源：Allegro Microsystems）
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