【導讀】自《巴黎協定》推行簽署以來，全球經濟脫碳已成共識。而在全球石油消耗的總量中，交通運輸占據了10%以上，其中公路交通為主要占比。因此推動傳統燃油汽車向新能源汽車轉型，是實現節能減排的重要途徑之一。據IHS預測，要達到2050年凈零排放的目標，2030年汽車電氣化的占比就應達到60%以上。
圖1：凈零排放需求推高了輕型車輛中xEV的占比
（圖源：IHS）
電驅能效提高，實現更長續航
雖然當前電動汽車的發展獲得了來自“雙碳”政策的推動，但大部分消費者仍面臨著里程焦慮的困擾，因此電動汽車尚不能全面替代燃油車成為出行首選。
要快速實現汽車行業電氣化轉型，電動汽車需要達到與燃油車一致的駕乘里程，這其中涉及到了充電、電池管理和電機驅動等多項技術發展。從充電方面來看，充電速度需要進一步提升，超充站、換電站等基建要跟得上；從電池方面來看，電池的容量、充放電效率要進一步提高；從電機驅動方面來看，整體驅動系統的能效也要進一步提高。
圖2：來自韓國現代汽車統計表明，續航里程和充電體驗仍是消費者選購EV時最關心的參數
（圖源：現代汽車官網）
一輛電動汽車最為重要的構成就是“三大電”，即電池、電機和電驅系統。其中電機是構成電動汽車動力系統的核心部件，是其行駛中的執行結構。而進行主電機控制的主驅逆變器（Traction Inverter），堪稱電動汽車的心臟，它負責將電池能量轉換成控制速度和扭矩的動力。
主驅逆變器和其所控制的電動機的響應速度將會直接影響駕駛感受，決定了汽車行駛的主要性能指標。不同的控制和驅動特性調教，可以為不同類型車輛帶來不同駕駛表現。如果電機控制做得不夠好，動力系統效率會大幅降低，甚至電機也容易發熱損壞。
圖3：電動汽車“三大電”
（圖源：Silicon Mobility）
扭矩和電機尺寸成正比，而功率決定了電機扭矩和速度。在不影響功率水平的情況下，要想追求汽車整體的續航設計目標，延長行駛里程，同時減小電氣尺寸和重量，就只能提高轉速。這意味著牽引電機需要以更高速運行（>30,000 rpm），這也就對牽引逆變器提出了更高的要求，需要實現更快速感測和處理。
典型的主驅逆變器方案中包括控制模塊、驅動器、功率變換器以及多種傳感器。控制模塊負責接收駕駛者給出的加速減速等指令，將其轉換成驅動器能夠接收的驅動信號；驅動器接收來自控制器的指令，將其轉換成對逆變器中可控硅的通斷指令；功率變換器的部分主要是由逆變器構成，接收到驅動器的信號后，對電機的電流電壓進行控制。另外，驅動器除了驅動之外，還作為保護裝置，提供過壓、過流、故障監測等保護功能。而功率變換部分，則可根據不同需求，選擇IGBT或SiC方案。
圖4：典型主驅逆變器方案由控制器、驅動電路和功率級組成
（圖源：安森美）
近年來隨著技術發展，追求高能效成為了電驅設計的關鍵。牽引逆變器的設計趨勢包括：采用更高算力芯片和更為先進的控制算法；使用SiC MOSFET作為功率級的開關晶體管；使用高壓800V電池和多子系統集成以獲得高功率密度。
通過精準電流傳感器，結合智能MCU和先進控制算法可以讓電機控制回路準確性提升，從而減少延遲并提升效率；SiC功率器件的開關頻率比IGBT更高，因此可以將更多電池輸入轉化為可用的電機輸出，并且改善了開關損耗、傳導損耗和導熱系數，逆變器體積也可以做到更小，實現更高的能效。
從更高的整車系統層面的考慮，業界也正在推進將動力系統集成，即將車載充電器、DC/DC 轉換器和主驅逆變器等獨立系統組合到單個域控制器下，實現單個緊湊機械外殼中的統一集成，從整車的角度提升功率密度。
圖5：逆變器采用SiC相比IGBT能效更高
（圖源：Institute of Electrical and Electronics Engineers）
選擇合適器件，實現高效電驅設計
從燃油車邁向電氣化，芯片在汽車中的作用更為重要。為實現電機的高能效設計目標，就需要選擇高性能的器件。
電機控制器
電機控制的選擇上，給大家推薦安森美（onsemi）的LV8907UW BLDC電機控制器，該器件在貿澤電子上的料號為LV8907UWR2G。這是一款高性能、無傳感器三相器件，設有集成式柵極驅動器和兩級電荷泵。該器件可為各種超低RDS(ON)型外部N-MOSFET提供所需的柵極電流，并具有過流、過壓、短路、欠壓及過熱等保護特性。工作電壓范圍為5.5V至20V，并采用梯形或正弦反EMF（電動勢）反饋。
圖6：LV8907UWR2G框圖
（圖源：貿澤電子）
LV8907UW BLDC電機控制器支持開環和閉環速度控制，設有用戶可配置的啟動、速度設置以及比例/積分（PI）控制系數，非常適合用于各種電機和負載組合。LV8907具有高集成度（內置用于為外部電路供電的線性穩壓器）、看門狗定時器以及本地互聯網絡（LIN）收發器。LV8907采用緊湊的48引腳SPQFP48封裝，提供極為小巧的解決方案尺寸。
另外針對步進電機的應用，可以選擇Toshiba的TB9120AFTG汽車步進電機驅動器，該器件在貿澤電子上的料號為TB9120AFTG(EL)。這是一款恒流、兩相、雙極步進電機驅動器，具有時鐘輸入接口和PWM恒流控制系統，適合用于各種使用步進電機的常見汽車應用。該產品支持全步進至1/32步進可選激勵模式，實現了更低的電機噪聲和更流暢的控制。
柵極驅動器
柵極驅動器的選擇上給大家推薦安森美的LV8968BBUW柵極驅動器，該器件在貿澤電子上的料號為LV8968BBUWR2G。這是一款三相BLDC/PMSM前置驅動器，集成了相位電壓檢測和邏輯電平FET兼容性。該柵極驅動器為外部電源橋提供400mA柵極電流，支持低電阻功率FET和邏輯電平FET。
圖7：LV8968BBUW框圖
（圖源：貿澤電子）
LV8968BBUW柵極驅動器具有可編程線性穩壓器、快速電流檢測放大器和支持微控制器的窗口看門狗。該柵極驅動器具有寬工作范圍，符合AEC-Q100標準，非常適合用于汽車應用。LV8968BBUW柵極驅動器還具有適用于ISO26262應用的保護和監控特性。
為了更快地進行柵極驅動器的評定，工程師們也可以考慮直接選擇相應的評估板。在這里給大家推薦安森美的LV8968BB評估板，這是一款適用于8V至25V應用的通用汽車三相柵極驅動器，該評估板在貿澤電子上的料號是LV8968BBGEVB。該評估板配有各種可選外設，支持實現從簡單的無傳感器BEMF換向到復雜的磁場定向算法等各種電機控制。為方便和電機控制器進行通信，該評估板設有用于連接微控制器的接口和用于Arduino DUE的插入式接口。
圖8：LV8968BB實物圖
（圖源：貿澤電子）
除上述驅動器件外，其他晶體管的選型也應仔細考量。針對12V至48V電池系統的各種汽車應用，可以選擇東芝的汽車級N/P溝道SSMx MOSFET，該系列實現了高水平的低導通電阻，因此可以進一步降低能量損耗。該系列在貿澤電子上給大家推薦的料號為SSM3J145TU,LXHF。
此外，還可以通過使用高集成度的元器件來進一步縮小系統尺寸，提升系統整體功率密度。東芝的RN汽車用內置偏置電阻型晶體管，針對開關、逆變器電路、接口連接和驅動器電路應用優化。通過內部集成偏置電阻，從而進一步減少了外圍元件。該系列在貿澤電子上給大家推薦的料號為RN2101MFV,L3XHF(CT。
以上所有的元器件，均可在貿澤電子的官網獲取信息并實現采購。作為知名的電子元器件分銷商，貿澤電子長期關注汽車電氣化轉型，為廣大工程師提供廣泛的車規級芯片選擇。
總結
做好電機控制是電動汽車實現高續航、高性能駕乘體驗的關鍵要素。為了實現更高的功率密度，行業已經推進采用SiC MOSFET、800V電池系統和動力系統集成等技術路線，而這些新技術的推進，也對工程師提出了新的設計挑戰。
選擇先進的器件、模塊和方案是實現高效電機驅動設計的關鍵。貿澤電子提供豐富的電機驅動相關器件，助力碳中和之路上的電氣化轉型。
來源：Mouser
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