SMT4005AHP(D)Q在70W汽車水泵中的應用

汽車水泵是傳統(tǒng)內燃機汽車冷卻系統(tǒng)中的一個重要部件，它的主要作用是循環(huán)發(fā)動機冷卻液以保持發(fā)動機的工作溫度穩(wěn)定。在新能源汽車中，雖然沒有了傳統(tǒng)的內燃機，但水泵仍然扮演著重要的角色，尤其是在電動汽車（EVs）和插電式混合動力汽車（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)），以及預熱電池等。

綜上所述，盡管新能源汽車的動力系統(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，對于保障車輛性能和延長關鍵部件的使用壽命具有重要作用。

• BLDC電機工作原理介紹

BLDC的基本工作原理是，當通電給其中一相定子繞組時，其產生的磁場與轉子產生的磁場之間互相影響，轉子便可以轉動起來。同時，通過位置傳感器得到電機位置信號，并把信號傳送給主控制器，然后根據轉子信號按照一定的順序開通或關斷功率管，使得 BLDC可以穩(wěn)定運行。

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電路連接。Q1作為電池的防反接保護，三相逆變器包括里六個 MOSFET，上橋臂有 Q2、Q4、Q6，下橋臂有 Q3、Q5、Q7。

• SMT4005AHPDQ技術參數

• 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采樣模塊得到電機的三相定子電流，位置傳感器檢測到轉子所在的位置及其角度，然后把位置信號和角度信號用于坐標變換，對電流進行解耦。第二步，通過將Clark和Park變換來完成坐標系的轉換。第三步，將設定轉速與實際轉速反饋量之間的偏值進行 PI調節(jié)，其輸出用于id和iq， 經過 PI調節(jié)，其輸出的Vd和Vq相電壓經過 Revpark變換，得到Vα和Vβ相電壓。最后，利用SVPWM算法，產生PWM控制信號，對系統(tǒng)進行PI雙閉環(huán)控制。

• 實物&測試波形

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

在汽車水泵電機驅動系統(tǒng)中，為了能夠順利的通過EMC實驗，一般在測試前，6個驅動MOSFET的驅動電壓Vgs波形、關斷電壓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波形振鈴的產生，主要有兩種根源。

• 根源1：dv/dt通過米勒電容Cgd的耦合

而MOSFET寄生電容之間的關系如下：

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內部等效電路圖如下：

• 根源2：驅動回路構成的RLC欠阻尼回路
• RLC組成串聯諧振電路，當R<2時，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：

• 增大驅動電阻R，使其工作在臨界阻尼；

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

• MOSFET柵極的驅動PCB走線盡可能的短；
• 在GS端并聯一個nF級的瓷片電容;

在汽車水泵驅動電路中，大部分研發(fā)工程師都會做EMI優(yōu)化設計，在MOSFET D-S端預留RC snubber電路，以順利通過EMC實驗，參照《CISPR25》標準。

• EMI設計優(yōu)化
• SGT MOS開關速度較快，Qg通常比較小，關斷時，di/dt通常會DS電壓波形上形成振鈴，對系統(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，通常會在MOS D-S端并聯RC snubber電路。

• RC snubber電路增加前后的波形對比：

• 在EMC實驗室，傳導輻射（150 kHz - 150 MHz）測試結果對比：

• 電機母線電壓，相電流波形

控制算法為FOC，相電流為正弦波，PID調節(jié)。

• SVPWM控制下MOSFET開關狀態(tài)

電機相電壓波形

第一扇區(qū)PWM波形

• MOSFET溫升

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%負載輸出時，系統(tǒng)整體效率超過90%。此外，BLDC電機應用，FOMg代表器件的整體損耗大小。

• PDFN5060封裝仿真—仿真環(huán)境

• 仿真輸入
  • 對兩個工作器件不斷施加1.5W負載，總功耗為3W；
  • 環(huán)境溫度25?C；
  • 氣流為自然靜態(tài)；
  • 瞬態(tài)熱仿真結構
• 仿真結果

最高溫度：127.04?C

• 仿真結果：溫度上升過程（最高溫度）

審核編輯 黃宇