新能源汽车48V车身电机驱动系统级解决方案详解

  智能化和电动化是新能源汽车发展的重要方向，其对电能的需求也慢慢变得高。除此之外，因为电池的重量，整个车比纯燃油汽车更重，这使设计者不得不增加车身执行器的功率来提供更大的扭矩。但传统的12V电池受限于电流和电池的电量等原因，不能为整车提供无限大的电流。所以如同整车低压供电电压升到12V一样，它还在继续往上升，迈向48V，从而为整车提供更大的功率输出和更高的能效。故慢慢的变多的汽车厂家开始关注48V系统执行器的驱动。

  为此，英飞凌在多年前开始布局研发48V的相关芯片。考虑到目前成熟的针对12V BLDC超高的性价比控制平台MOTIXTMMCU，英飞凌开发了level shift 芯片TLE9140。它也是gate driver器件，相当于直接替换了12V BLDC电机控制高集成芯片TLE987x和TLE989x的gate driver 部分，从而使他可以上升到48V BLDC电机驱动。该方案的另一个好处是客户能复用他们成熟的12V BLDC电机控制平台，降低开发难度，缩短开发周期，一个平台兼容12V，24V和48V电机驱动。

  MOTIXTMMCU系列属于SoC (System on Chip) 级产品，集成了MCU，LDO，gate driver，电流采样和LIN收发器等模块。针对BLDC电机控制，推荐TLE987x和TLE989x系列，其内部框图如下所示，前者是针对LIN通信方案，后者是针对CAN通信方案。详细的信息和文档，可以在英飞凌官网搜索TLE987x/TLE989x，或者直接访问：或者。

  TLE9140是专对于48V BLDC电机驱动设计的gate driver芯片，同时兼容24V系统，能支持功能安全ASIL B级别应用。除此之外，设计上考虑了匹配英飞凌MOTIXTMMCU。其耐压高达100V，驱动能力高达230nC，最大驱动频率25kHz。先进的电流型gate driver能够在一定程度上帮助用户经过仔细修改寄存器配置，从而十分便捷地修正驱动波形，以匹配不同的MOSFET，无需修改硬件。除此之外，支持过压，欠压，过温，短路，开路，输入错误等故障检测。还配备了窗式看门狗，进一步提升系统安全性，确保软件死机的情况下，及时关断输出。16位SPI通信配置控制寄存器和通过状态寄存器获取芯片当前状态和故障。详情信息可以访问英飞凌官网: 并搜索“TLE9140”。

  功率器件部分，英飞凌有非常全面的MOSFET的选择。在OptiMOSTM5的基础上研发了新一代OptiMOSTM7 沟槽MOSFET。针对48V应用，可提供80V和100V 两个电压等级。新一代OptiMOSTM7的MOSFET采用尖端的双多晶硅沟槽技术和业界领先的300mm薄晶圆技术与生产，如下图所示，80V和100V的MOSFET导通电阻相比于前一代有40%的降低，遵循了英飞凌低RDSON,低导通损耗的发展宗旨。除此之外，新一代技术的MOSFET 具有更小的门极充电电荷，开关速度更快，降低了开关损耗。这两大特点在电机驱动的应用中优势较为明显。

  英飞凌OptiMOSTM7也遵循明确的封装策略，将无引脚封装结合铜夹技术推向市场，为满足48V电机驱动的应用，80V和100V MOSFET包括了市场电机驱动需要的热门封装：除了S3O8, SSO8单MOSFET, STOLL，TOLL封装，其他的还有100V SSO8双MOSFET, 不同的封装，不同的导通电阻，不同的电压等级可以适用于几十瓦到几千瓦不同的功率等级，完美地满足了客户的各类需求。具体选型表可以访问英飞凌官网，并搜索“Automotive MOSFET”。

  虽然无传感器控制，能够在一定程度上帮助客户在有些应用减少相关成本，例如水泵和冷却风扇。但在一些应用中，为了更精准的控制，客户会用到电机转子位置传感器，例如油泵。英飞凌位置传感器最重要的包含霍尔开关和磁阻角度传感器。

  霍尔开关的产品系列中，我们既为电池供电的设计提供了过压能力高达42V（不加外部电阻的情况下），支持32V供电的TLE4961/TLE4964/TLE4968系列；也为EMC工况较好的设计提供了超高的性价比5V供电的TLE4963/TLE4965系列。用户都能够根据实际系统设计和磁场需求选择合适的型号。详细信息可以访问英飞凌官网，并搜索“magnetic switch”。

  英飞凌还提供了各种基于磁阻效应（GMR，AMR，TMR）的角度传感器。我们既提供了计算完角度直接输出数字量信号的传感器TLE5012B/TLE5014，也提供了输出sin/cos信号的模拟量输出的传感器TLE5x09/TLE5501。对于精度的改善，TLE5012B内部带自校准算法；TLE5014内部带32点查找表补偿；TLE5x09和TLE5501的补偿算法可以集成在客户的MCU内，从而降低系统成本和实现更高的精度。客户能够准确的通过实际需求选择合适的产品，详情信息可以访问英飞凌官网，并搜索“angle sensor”。

  针对本文介绍的48V车身电机系统级驱动方案，英飞凌开发了对应的评估板，实物图如下所示。详情信息可以访问英飞凌官网，搜索：TLE9140EQW EVAL。

  我们基于该评估板，在电机测试台架上，进行加载，运行，做了初步测试，视频如下：

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