Author: Siva Uppuluri, Applications Engineer
汽车原始设备制造商正在向BLDC迁移，以最大限度地提高效率和可靠性。 本文着眼于工程师在设计过程中应考虑的重要参数，以实现这些目标。
电磁感应（EMI）的发现改变了世界，并在新时代预示着。 今天，它涉及每个部门，市场和行业。 随意发电并将精力控制和规律性转化为运动的能力在很多方面都是发达社会的标志。
到目前为止，发电机和电动机是最常见和广泛部署的EMI实施方案。 除了太阳能之外，大部分可用电力都是通过这种方式产生的，既可以通过发电站中的大型涡轮机，也可以通过风能或波浪等可再生解决方案中的小型发电机来实现。
为了应对这种丰富的能量，发电机的对应物，马达，成功地和不可分割地取代了纯机械形式的动力。 随着电动汽车开始扩散我们的道路，内燃机可能是这一旅程中的最新一步。
然而，汽车行业转向电力是一个中间步骤，那就是用电动机替代机械设备。
从消费者的角度来看，车辆中最明显的电动机用途可能是驱动电动车窗和座椅。 中央锁定是另一个可以引用的应用程序。 引擎盖下，发生了很多变化。 电动机逐渐被指定为纯机械选项，用于风扇，泵（水，油，燃料），动力转向和防抱死制动以及自动变速器等功能。
原因很清楚; 与机械替代品相比，电动机提供更好的控制，更高的效率和更高的可 当转型首次开始时，原始设备制造商转向使用刷式换向的步进电机和电机，但最近汽车行业 - 像许多其他行业一样 - 已经转移到无刷直流电机（BLDC），这是有充分理由的。
BLDC提供更高水平的效率，更好地控制更宽的动态范围，以及更大的扭矩。 由于该技术是无刷的 - 从电气角度来看实际上是非接触式的 - 它消除了有刷直流电机常见的所有电气干扰。 这有助于降低电磁干扰，这可能会对发动机控制单元（ECU）中更敏感的部件造成问题。 它还避免了与刷式换向相关的电弧和随后的磨损，这可能导致拉丝直流电动机的性能降低和最终失效。
当然，用电气替代品替换机械电动机需要额外的控制电子设备。 在BLDC的情况下，可以说，由于缺乏电接触而加剧了这种情况。 有时通过使用霍尔效应开关来控制BLDC，霍尔效应开关为控制回路提供必要的反馈。 然而，在最近的时代，无传感器BLDC已经变得流行，因为移除传感器进一步降低了材料清单。
开发用于驱动BLDC（有和没有传感器）的控制算法由微控制器（MCU）很好地处理，这提供了使用CAN或LIN为车辆网络提供相对简单的集成的额外好处。 专为汽车应用中的电机驱动而设计的MCU还配备了预驱动级，用于控制通过电机线圈提供高驱动电流所需的MOSFET。 最后阶段对于定义整个电机驱动解决方案的效率至关重要，如下所述。
用于BLDC的驱动器电路通常包括MOSFET，以产生和折叠由定子线圈产生的电磁场，该电磁场围绕由永磁体形成的转子旋转。 检测定子的位置对于在线圈中产生正确的激励场是基本的。 在采用传感器的BLDC中，检测到磁场，而在无传感器版本中，控制电路测量反电动势以确定定子位置。
无论哪种方式，线圈都通过布置在桥式拓扑中的MOSFET激励。 MOSFET的选择是BLDC整体效率和性能的主要因素。 数据表中提供的数字仅供在特定条件下使用，这些条件可能与实际应用的操作条件一致，也可能不一致。 因此，在选择最合适的MOSFET之前，必须先了解应用。
同样，所选MOSFET的工作参数将对整个解决方案产生直接和重大影响。 仔细考虑这些参数将确保所选择的MOSFET最符合要求。
一般而言，应考虑三个主要方面：可靠性，效率和设计。 可靠性与设备的极限有关，并确保在正常操作期间不会测试这些限制。 具体地，这涉及选择具有击穿电压的器件，该击穿电压提供足够的保护以防止可能通过其他设计选择引入的瞬变。 例如，对于采用12V电源供电的BLDC，40V的击穿电压就足够了。 同样，在24V系统中，击穿电压为60V的MOSFET可提供足够的保护。 考虑漏极 - 源极电流额定值也很重要，特别是在浪涌或脉冲条件下。 在BLDC应用中，启动或失速电流可能超过满载电流三倍，
就MOSFET而言，效率通常表示器件管理散热的程度，特别是在结点处。 始终需要良好的散热设计，尤其是在汽车等环境温度较高的环境中，但在选择MOSFET时应考虑几个参数。 这些包括导通电阻，Rds（on）和栅极电荷（Qg）。 这两个参数是相互关联的; 较大的MOSFET可以产生低导通电阻，但它也可以导致更高的栅极电荷。 这会对BLDC驱动程序等切换应用产生重大影响。
通常通过由MCU产生的PWM（脉冲宽度调制）信号来驱动具有三相（线圈）的BLDC，以激励每个相。 图1显示了BLDC相位的典型桥接电路。 如果两个MOSFET同时打开，则会导致击穿，从而产生灾难性后果。 为了解决这个问题，将在PWM信号中设计一个周期，称为死区时间，它确保在任何给定时间只有预期的MOSFET导通。 MOSFET的开关时间将影响所需的死区时间长度，该参数也受器件栅极电荷的影响。 在死区时间内，MOSFET的体二极管提供换向路径，由于二极管导通时功率损耗较高，这也是不理想的。
每个MOSFET都将呈现动态电容（图1中的Crss）; 这是一个可能导致射击的参数。 在切换期间，该参数与Rg组合可能导致低侧MOSFET的栅极电荷上升到足以使其导通的电平。
图1.用于驱动BLDC电机相位的典型电桥电路
应用于BLDC驱动等开关应用的另一个重要参数是零温度系数（ZTC）点。 如图2所示，这是传输曲线上的一个点（漏极电流，[ID]，与栅极 - 源极电压，[VGS]）。 在该点以下操作器件导致漏极电流的正温度系数，而在该点上方操作器件导致漏极电流的负温度系数。 图2a示出了用于一个低密度平面MOSFET（传输特性ZXM61N03F），图2b示出了用于高密度平面MOSFET的传输特性（ZXMN3A01E6）。 通常，建议在负温度系数区域中操作器件。 图2b中所示的器件利用更大的沟槽密度来增加沟道中的垂直电流流动路径的数量。 这具有降低Rds（on）的积极效果，但也导致更高的ZTC点。
图2a（左）。 低密度平面MOSFET ZXM61N03F 高密度沟槽MOSFET ZXMN3A01E6
图3显示了使用N沟道MOSFET的全桥电机驱动电路的五个阶段。 值得注意的是，由于MOSFET的体二极管，这些电路会受到反向恢复电流的影响。 能够最小化死区时间的PWM算法可以减少这些影响，同时建议使用快速恢复并联二极管来指定MOSFET。
图3.显示换向序列和体二极管恢复相关射击的电路
无刷直流电机越来越多地被汽车原始设备制造商指定。 它们在更多功能中提供更高的效率，更高的可靠性和更强的控制，包括更换机械泵和风扇。
驱动BLDC需要结合使用先进的MCU进行控制，并配以适当规定的MOSFET来提供电源。 热管理是良好设计的核心，这延伸到了解如何使用正确的MOSFET设计最好地满足BLDC驱动电路的独特要求。
通过了解和了解相关参数，工程师可以为任务选择合适的MOSFET，即使在最恶劣的环境中也能确保最高的可靠性和效率。
增加应用
改进了驱动器
温度系数
图2b（右）。
对于给定的尺寸，N沟道MOSFET通常具有等效P沟道器件的Rds（on）的一半，因此在电机驱动应用中通常指定N沟道MOSFET。
结论
