本應(yīng)用簡報概述了電勵同步電機(jī) (EESM)、汽車電氣化 中當(dāng)前趨勢的電機(jī)，并為德州儀器 (TI) 的勵磁電路提 供了系統(tǒng)建議。

簡介

當(dāng)今汽車行業(yè)最常用的機(jī)器之一是永磁同步電機(jī) (PMSM)，因?yàn)樗哂懈咝屎透吖β拭芏龋浯问墙?流感應(yīng)電機(jī)，主要用作前驅(qū)動機(jī)器。當(dāng)前趨勢是推動 OEM 更多地轉(zhuǎn)向 EESM。其中一個主要原因是稀土材 料的減少，這減輕了環(huán)境問題，并且也降低了供應(yīng)風(fēng)險 和成本不可預(yù)測性。

電勵同步電機(jī)工作原理

EESM 和 PMSM 采用相同的同步旋轉(zhuǎn)原理，其中定子 的旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子的磁場以相同的速度旋轉(zhuǎn)。

與 PMSM 一樣，定子旋轉(zhuǎn)磁場由定子繞組中的三相交 流電流生成。另一方面，EESM 不是安裝永磁體，而 是將場繞組安裝在轉(zhuǎn)子上。提供直流電流以通過滑環(huán)和 電刷勵磁繞組，或通過無刷勵磁電路來勵磁繞組。施加 電流后，這些繞組的行為就像電磁體，并且轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生 固定磁場。

通過這兩個磁場間的磁鎖定來實(shí)現(xiàn)同步。對齊這些磁場 時，會產(chǎn)生電磁扭矩，扭矩會嘗試減少它們之間的角度 位移。轉(zhuǎn)子會加速或減速，直到兩個磁場以相同的速度旋轉(zhuǎn)。

電勵式同步機(jī)器的優(yōu)勢

EESM 的主要驅(qū)動因素之一是減少對于稀土材料的依 賴。通過消除永久磁鐵，EESM 避免使用稀土元素， 從而提高供應(yīng)安全性和可持續(xù)性。

與 PMSM 不同，EESM 通過調(diào)節(jié)勵磁電流來實(shí)現(xiàn)簡單 的轉(zhuǎn)子磁通控制。因此，這種類型的機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)更簡 單的弱磁控制，從而確保在較高的運(yùn)行速度下實(shí)現(xiàn)幾乎 恒定的功率范圍和更高效率。

另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，在故障條件下，這種類型的機(jī)器不 會引入明顯的反電動勢（反 EMF）。發(fā)生故障時，需 要零場電流，這個零電流也使轉(zhuǎn)子磁通為零。這樣，與 PMSM 相比，安全狀態(tài)變得更容易實(shí)現(xiàn)。但是，需要 額外的電路和軟件控制來控制勵磁電流。

勵磁電路的系統(tǒng)設(shè)計

除了標(biāo)準(zhǔn)逆變器拓?fù)渲?，EESM 的運(yùn)行還需要額外 的勵磁電路。該電路用于提供和控制轉(zhuǎn)子磁場電流并且 確保安全可靠地運(yùn)行。由于它直接影響機(jī)器的運(yùn)行，因 此它需要符合 ISO28282 的 ASIL 等級。

圖 2 顯示了導(dǎo)電 EESM 的勵磁電路示例，其中電刷與 將直流電流輸送到場繞組的滑環(huán)進(jìn)行物理接觸。

它包含兩個電源開關(guān)和兩個二極管，連接在 HV+ 和 HV- 之間。當(dāng)兩個開關(guān)都導(dǎo)通時，會向轉(zhuǎn)子繞組施加完 整的直流鏈路電壓。如果只有一個開關(guān)導(dǎo)通，電流會緩 慢降低，而當(dāng)兩個開關(guān)都斷開時，電流會通過續(xù)流二極 管降低。

這些開關(guān)的典型最大電流不會超過 50A?？刂?a target="_blank">信號由 隔離式柵極驅(qū)動器提供，該驅(qū)動器由隔離式輔助電源供 電。此外，閉合控制環(huán)路需要一個或兩個電流傳感器， 因?yàn)樵撾娏髋c磁場成正比，直接影響機(jī)器的行為。

器件的選擇至關(guān)重要，因?yàn)樗鼘C(jī)器的性能、可靠性和 效率有直接影響。該系統(tǒng)依賴于快速開關(guān)、穩(wěn)定偏置以 及精確的電流反饋。

圖 3 展示了建議的系統(tǒng)設(shè)計，其中所選器件可促成緊 湊的實(shí)現(xiàn)和高精度控制。

UCC218200-Q1 是一款標(biāo)準(zhǔn)的隔離式保護(hù)驅(qū)動器，無 需 SPI 通信即可運(yùn)行，同時仍提供集成的高級特性來 增強(qiáng)功能安全性。該驅(qū)動器具有 DESAT 保護(hù)、輸出電 壓柵極監(jiān)控比較器及上電期間的內(nèi)置自檢 (BIST) 診斷 功能。

為了進(jìn)一步減小整體設(shè)計尺寸，TI 提供了 UCC5881- Q1，這是一款可編程的功能安全合規(guī)型隔離式柵極驅(qū) 動器。除了上述功能外，該柵極驅(qū)動器還提供了更多功能，例如有源米勒鉗位、2 個用于次級側(cè)檢測的 ADC 通道以及可調(diào)柵極驅(qū)動強(qiáng)度，使設(shè)計更加緊湊和高效。

柵極驅(qū)動器可通過不同的隔離式輔助電源拓?fù)涔╇?。?據(jù)不同的拓?fù)洌綦x式輔助電源可以直接連接到 LV 電 池，也可以使用直流/直流轉(zhuǎn)換器通過前置穩(wěn)壓器連接 到 LV 或/和 HV 電池。UCC25800-Q1 是一款超低 EMI 變壓器驅(qū)動器，用于具有高達(dá) 1.2MHz 開關(guān)頻率的開環(huán) LLC 拓?fù)洹Ａ硪环N常用的拓?fù)涫峭仆焓酵負(fù)?，其?TI 提供 SN6501-Q1 和 SN6507-Q1 器件，具有 3V 至 36V 的寬輸入電壓范圍。LM5181-Q1 反激式轉(zhuǎn)換器可 實(shí)現(xiàn)更寬輸入范圍（4.5V 至 65V）。借助寬輸入電 壓，可以移除前置穩(wěn)壓器。為了將來減小系統(tǒng)尺寸和重 量，同時簡化 PCB 布線，可以使用具有集成變壓器的 隔離式直流/直流模塊。UCC34141-Q1 和 UCC35131- Q1 器件可提供高達(dá) 1.5W 和 2W 的輸出功率。

除了柵極驅(qū)動器和輔助電源，電流檢測也發(fā)揮著重要作 用，因?yàn)槠渚群涂煽啃詴苯佑绊懘磐刂啤５谝环N 方法是使用基于分流器的電流檢測，這是我們?nèi)碌?AMC3302-Q1 隔離式放大器。此器件具有 ±50mV 的 輸入電壓范圍，并具有集成式直流/直流轉(zhuǎn)換器，可實(shí) 現(xiàn)單電源運(yùn)行。除了放大器之外，TI 還提供電隔離霍 爾效應(yīng)傳感器。TMCS1123-Q1 具有 250kHz 帶寬，能 夠測量高達(dá) 80A 的最大持續(xù)電流，同時集成了過流檢 測功能和環(huán)境磁場抑制功能。

除了導(dǎo)電 EESM 外，如上圖所示，還有用于 EESM 的 電感式勵磁電路，其中使用磁（電感）耦合傳輸勵磁。 此類設(shè)計的好處是雖然增加了系統(tǒng)成本，但維護(hù)成本更低。

結(jié)語

EESM 正在成為汽車行業(yè)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過直接 磁通控制來提升高速效率并提供靈活性。如果發(fā)生故 障，切斷勵磁電流可消除高反 EMF 電壓或不受控制的 旋轉(zhuǎn)風(fēng)險。盡管需要額外的勵磁回路，但這些機(jī)器不依 賴于稀土材料，從而降低了供應(yīng)風(fēng)險和機(jī)器成本。 EESM 借助用高度集成的高性能器件正確設(shè)計的勵磁 電路，為下一代電動汽車提供具有成本效益的設(shè)計。