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SMT4005AHP(D)Q在70W汽車水泵中的應用

Debugger ? 來源:jf_41082406 ? 作者:jf_41082406 ? 2024-08-01 15:41 ? 次閱讀

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。

wKgZomarNIWAJguKAAEx-4j-t6Y834.png圖1?汽車水泵MOSFET驅動系統(tǒng)
  • SMT4005AHPDQ技術參數
wKgZomarNTKAWNHiAAD2lla-Hvc625.png
  • MOSFET控制方式

FOC矢量控制的基本過程為,第一步,通過主芯片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。

wKgaomarNYaAWjuxAADGQSGSiL4942.png圖2 FOC控制算法
  • 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。

wKgaomarNfeAI_P6AA9Sobn5ldU202.png圖3?測試實物wKgZomarNhGAB5lcAAPoeIvNXXI391.png圖4 MOSFET Vds和Vgs電壓波形

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。

wKgaomarNpCAOn_YAAVWLeNdPuw110.png圖5 dv/dt耦合回路wKgZomarNsmAQa5oAAAKWPY4zj0255.png

而MOSFET寄生電容之間的關系如下:

wKgaomarNrWAMoN0AABVbWq639k615.png

因此,

wKgaomarNt2AbnixAAAIW9R0XEk081.png

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%。

wKgaomarNvCAKiymAACjUW-7UE8958.png

MOSFET內部等效電路圖如下:

wKgZomarNxaACqLdAAER0hjx2Cg180.png圖6 MOSFET內部寄生電容及其與電壓的關系
  • 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;
wKgaomZYTS-AR9SKAACBggVN3WY654.png

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。
wKgZomarN5SAHmzcAADJmhoeYpU449.png
  • RC snubber電路增加前后的波形對比:
wKgaomarN72ABRgZAACKDNNkO5Y027.png
  • 在EMC實驗室,傳導輻射(150 kHz - 150 MHz)測試結果對比:
wKgaomarN_SAFguXAAAkxBE_HME031.pngwKgZomarN_-Ae_XbAANQwTXJR_U839.png
  • 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)。

wKgZomarODGAGLGmAASmlkc832A827.png圖7?電機相電流&母線電壓波形wKgZomarOE2AaBTlAA0nkGIUTZo276.png圖8?實驗室測試波形
  • SVPWM控制下MOSFET開關狀態(tài)
wKgaomarOKaAPcV9AACnHw_KsBw158.png

電機相電壓波形

wKgaomarON2AK7z_AAZeuU6YLoM860.png

第一扇區(qū)PWM波形

wKgZomarOSWARyAHAACo7nMw3ms046.png
  • MOSFET溫升
wKgZomarOU-AUcUZAA_vvninEL4791.png圖9?汽車水泵電驅PCBwKgaomarOZSAOb9YAAWdOKbue9E150.png圖10 MOSFET穩(wěn)態(tài)溫升wKgaomarOa-AWtP_AAQC4_Cqpww107.png圖11?實驗室溫度,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。

wKgZomarOeaAWxTwAABHzSw1sK4008.png
  • PDFN5060封裝仿真—仿真環(huán)境
wKgaomarOgWARk8kAAKSvw35BWE558.png圖12 PCB TOP View

wKgZomarOiqAbQdDAAFr-GNBYnE438.png圖13 PCB Side ViewwKgaomarOkaAJmcUAAEOsQ-1PyM450.png
  • 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
wKgZomarOneAT0MKAAG38f_GzW0281.png圖14 “1”號MOSFET溫升

wKgaomarOqGAEs-wAAGYXcK9_1Y359.pngwKgaomarOrGAfNujAAH6DpFpVy0171.png圖15?“3”號MOSFET溫升

最高溫度:127.04?C

  • 仿真結果:溫度上升過程(最高溫度)
wKgZomarOu6AcdcnAASt19cowug601.png

審核編輯 黃宇

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