SMT4005AHP(D)Q在70W汽車水泵中的應(yīng)用

汽車水泵是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件，它的主要作用是循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液以保持發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度穩(wěn)定。在新能源汽車中，雖然沒有了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，但水泵仍然扮演著重要的角色，尤其是在電動(dòng)汽車（EVs）和插電式混合動(dòng)力汽車（PHEVs）中。

新能源汽車中的水泵用途：1)電池組冷卻：2)電機(jī)及逆變器冷卻：3)熱管理系統(tǒng)集成：新能源汽車往往具備更加復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)，水泵作為其中的一部分，不僅可以用于冷卻，還可以用于加熱座艙（例如通過熱泵系統(tǒng)），以及預(yù)熱電池等。

綜上所述，盡管新能源汽車的動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車不同，但水泵仍然是其熱管理系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，對(duì)于保障車輛性能和延長(zhǎng)關(guān)鍵部件的使用壽命具有重要作用。

• BLDC電機(jī)工作原理介紹

BLDC的基本工作原理是，當(dāng)通電給其中一相定子繞組時(shí)，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間互相影響，轉(zhuǎn)子便可以轉(zhuǎn)動(dòng)起來。同時(shí)，通過位置傳感器得到電機(jī)位置信號(hào)，并把信號(hào)傳送給主控制器，然后根據(jù)轉(zhuǎn)子信號(hào)按照一定的順序開通或關(guān)斷功率管，使得 BLDC可以穩(wěn)定運(yùn)行。

BLDC的工作原理圖如右圖所示，A、B、C三相定子繞組通過星型連接，并直接與三相逆變器的開關(guān)電路連接。Q1作為電池的防反接保護(hù)，三相逆變器包括里六個(gè) MOSFET，上橋臂有 Q2、Q4、Q6，下橋臂有 Q3、Q5、Q7。

圖1?汽車水泵MOSFET驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

• SMT4005AHPDQ技術(shù)參數(shù)

• MOSFET控制方式

FOC矢量控制的基本過程為，第一步，通過主芯片的AD采樣模塊得到電機(jī)的三相定子電流，位置傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子所在的位置及其角度，然后把位置信號(hào)和角度信號(hào)用于坐標(biāo)變換，對(duì)電流進(jìn)行解耦。第二步，通過將Clark和Park變換來完成坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。第三步，將設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋量之間的偏值進(jìn)行 PI調(diào)節(jié)，其輸出用于id和iq， 經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)，其輸出的Vd和Vq相電壓經(jīng)過 Revpark變換，得到Vα和Vβ相電壓。最后，利用SVPWM算法，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PI雙閉環(huán)控制。

圖2 FOC控制算法

• 實(shí)物&測(cè)試波形

如右圖所示，BLDC電機(jī)滿載功率為70W，工作頻率為20KHZ，水泵為離心泵。

圖3?測(cè)試實(shí)物圖4 MOSFET Vds和Vgs電壓波形

在汽車水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，為了能夠順利的通過EMC實(shí)驗(yàn)，一般在測(cè)試前，6個(gè)驅(qū)動(dòng)MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓Vgs波形、關(guān)斷電壓Vds波形，振鈴的幅值和頻率都要求越小越好。

1. Vgs波形

在橋式電路中，Vgs波形振鈴的產(chǎn)生，主要有兩種根源。

• 根源1：dv/dt通過米勒電容Cgd的耦合

圖5 dv/dt耦合回路

而MOSFET寄生電容之間的關(guān)系如下：

因此，

這就意味著，Crss/Ciss的比例越小，Vgs的振鈴幅值就越小。SMT4005AHPDQ的Crss/Ciss的比值僅為2.5%。

MOSFET內(nèi)部等效電路圖如下：

圖6 MOSFET內(nèi)部寄生電容及其與電壓的關(guān)系

• 根源2：驅(qū)動(dòng)回路構(gòu)成的RLC欠阻尼回路
• RLC組成串聯(lián)諧振電路，當(dāng)R<2時(shí)，系統(tǒng)處于欠阻尼情況 ，在這種情況下，電路發(fā)生振蕩；

消除振鈴的方法：

• 增大驅(qū)動(dòng)電阻R，使其工作在臨界阻尼；

Rg上限值：為防止MOS管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生很大的dV/dt使得MOS管再次誤開通。一般要求Rg≤Vth/（Cgd*dv/dt)，dV/dt可以根據(jù)電路實(shí)際工作時(shí)MOS的D、S間電壓和mMOS管關(guān)斷時(shí)D、S電壓上升時(shí)間求得。

• MOSFET柵極的驅(qū)動(dòng)PCB走線盡可能的短；
• 在GS端并聯(lián)一個(gè)nF級(jí)的瓷片電容;

在汽車水泵驅(qū)動(dòng)電路中，大部分研發(fā)工程師都會(huì)做EMI優(yōu)化設(shè)計(jì)，在MOSFET D-S端預(yù)留RC snubber電路，以順利通過EMC實(shí)驗(yàn)，參照《CISPR25》標(biāo)準(zhǔn)。

• EMI設(shè)計(jì)優(yōu)化
• SGT MOS開關(guān)速度較快，Qg通常比較小，關(guān)斷時(shí)，di/dt通常會(huì)DS電壓波形上形成振鈴，對(duì)系統(tǒng)的EMI造成一定的困擾。
• 為了減輕振鈴的影響，幫助客戶順利通過EMC試驗(yàn)，通常會(huì)在MOS D-S端并聯(lián)RC snubber電路。

• RC snubber電路增加前后的波形對(duì)比：

• 在EMC實(shí)驗(yàn)室，傳導(dǎo)輻射（150 kHz - 150 MHz）測(cè)試結(jié)果對(duì)比：

• 電機(jī)母線電壓，相電流波形

控制算法為FOC，相電流為正弦波，PID調(diào)節(jié)。

圖7?電機(jī)相電流&母線電壓波形圖8?實(shí)驗(yàn)室測(cè)試波形

• SVPWM控制下MOSFET開關(guān)狀態(tài)

電機(jī)相電壓波形

第一扇區(qū)PWM波形

• MOSFET溫升

圖9?汽車水泵電驅(qū)PCB圖10 MOSFET穩(wěn)態(tài)溫升圖11?實(shí)驗(yàn)室溫度，即環(huán)境溫度

MOSFET的溫升最高為54.7℃，器件整體損耗較小，所以溫升不高；在72%負(fù)載輸出時(shí)，系統(tǒng)整體效率超過90%。此外，BLDC電機(jī)應(yīng)用，F(xiàn)OMg代表器件的整體損耗大小。

• PDFN5060封裝仿真—仿真環(huán)境

圖12 PCB TOP View

圖13 PCB Side View

• 仿真輸入
  • 對(duì)兩個(gè)工作器件不斷施加1.5W負(fù)載，總功耗為3W；
  • 環(huán)境溫度25?C；
  • 氣流為自然靜態(tài)；
  • 瞬態(tài)熱仿真結(jié)構(gòu)
• 仿真結(jié)果

圖14 “1”號(hào)MOSFET溫升

圖15?“3”號(hào)MOSFET溫升

最高溫度：127.04?C

• 仿真結(jié)果：溫度上升過程（最高溫度）

審核編輯 黃宇