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SMT4005AHP(D)Q在70W汽车水泵中的应用

Debugger 来源:jf_41082406 作者:jf_41082406 2024-08-01 15:41 次阅读

汽车水泵是传统内燃机汽车冷却系统中的一个重要部件,它的主要作用是循环发动机冷却液以保持发动机的工作温度稳定。在新能源汽车中,虽然没有了传统的内燃机,但水泵仍然扮演着重要的角色,尤其是在电动汽车(EVs)和插电式混合动力汽车(PHEVs)中。

新能源汽车中的水泵用途:1)电池组冷却:2)电机逆变器冷却:3)热管理系统集成:新能源汽车往往具备更加复杂的热管理系统,水泵作为其中的一部分,不仅可以用于冷却,还可以用于加热座舱(例如通过热泵系统),以及预热电池等。

综上所述,尽管新能源汽车的动力系统与传统燃油车不同,但水泵仍然是其热管理系统中不可或缺的组成部分,对于保障车辆性能和延长关键部件的使用寿命具有重要作用。

  • BLDC电机工作原理介绍

BLDC的基本工作原理是,当通电给其中一相定子绕组时,其产生的磁场与转子产生的磁场之间互相影响,转子便可以转动起来。同时,通过位置传感器得到电机位置信号,并把信号传送给主控制器,然后根据转子信号按照一定的顺序开通或关断功率管,使得 BLDC可以稳定运行。

BLDC的工作原理图如右图所示,A、B、C三相定子绕组通过星型连接,并直接与三相逆变器的开关电路连接。Q1作为电池的防反接保护,三相逆变器包括里六个 MOSFET,上桥臂有 Q2、Q4、Q6,下桥臂有 Q3、Q5、Q7。

wKgZomarNIWAJguKAAEx-4j-t6Y834.png图1 汽车水泵MOSFET驱动系统
  • SMT4005AHPDQ威廉希尔官方网站 参数
wKgZomarNTKAWNHiAAD2lla-Hvc625.png
  • MOSFET控制方式

FOC矢量控制的基本过程为,第一步,通过主芯片AD采样模块得到电机的三相定子电流,位置传感器检测到转子所在的位置及其角度,然后把位置信号和角度信号用于坐标变换,对电流进行解耦。第二步,通过将Clark和Park变换来完成坐标系的转换。第三步,将设定转速与实际转速反馈量之间的偏值进行 PI调节,其输出用于id和iq, 经过 PI调节,其输出的Vd和Vq相电压经过 Revpark变换,得到Vα和Vβ相电压。最后,利用SVPWM算法,产生PWM控制信号,对系统进行PI双闭环控制。

wKgaomarNYaAWjuxAADGQSGSiL4942.png图2 FOC控制算法
  • 实物&测试波形

如右图所示,BLDC电机满载功率为70W,工作频率为20KHZ,水泵为离心泵。

wKgaomarNfeAI_P6AA9Sobn5ldU202.png图3 测试实物wKgZomarNhGAB5lcAAPoeIvNXXI391.png图4 MOSFET Vds和Vgs电压波形

在汽车水泵电机驱动系统中,为了能够顺利的通过EMC实验,一般在测试前,6个驱动MOSFET的驱动电压Vgs波形、关断电压Vds波形,振铃的幅值和频率都要求越小越好。

  1. Vgs波形

在桥式电路中,Vgs波形振铃的产生,主要有两种根源。

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

而MOSFET寄生电容之间的关系如下:

wKgaomarNrWAMoN0AABVbWq639k615.png

因此,

wKgaomarNt2AbnixAAAIW9R0XEk081.png

这就意味着,Crss/Ciss的比例越小,Vgs的振铃幅值就越小。SMT4005AHPDQ的Crss/Ciss的比值仅为2.5%

wKgaomarNvCAKiymAACjUW-7UE8958.png

MOSFET内部等效电路图如下:

wKgZomarNxaACqLdAAER0hjx2Cg180.png图6 MOSFET内部寄生电容及其与电压的关系
  • 根源2:驱动回路构成的RLC欠阻尼回路
  • RLC组成串联谐振电路,当R<2时,系统处于欠阻尼情况 ,在这种情况下,电路发生振荡;
wKgaomZYTS-AR9SKAACBggVN3WY654.png

消除振铃的方法:

  • 增大驱动电阻R,使其工作在临界阻尼;

Rg上限值:为防止MOS管关断时产生很大的dV/dt使得MOS管再次误开通。一般要求Rg≤Vth/(Cgd*dv/dt),dV/dt可以根据电路实际工作时MOS的D、S间电压和mMOS管关断时D、S电压上升时间求得。

  • MOSFET栅极的驱动PCB走线尽可能的短;
  • 在GS端并联一个nF级的瓷片电容;

在汽车水泵驱动电路中,大部分研发工程师都会做EMI优化设计,在MOSFET D-S端预留RC snubber电路,以顺利通过EMC实验,参照《CISPR25》标准。

  • EMI设计优化
  • SGT MOS开关速度较快,Qg通常比较小,关断时,di/dt通常会DS电压波形上形成振铃,对系统的EMI造成一定的困扰。
  • 为了减轻振铃的影响,帮助客户顺利通过EMC试验,通常会在MOS D-S端并联RC snubber电路。
wKgZomarN5SAHmzcAADJmhoeYpU449.png
  • RC snubber电路增加前后的波形对比:
wKgaomarN72ABRgZAACKDNNkO5Y027.png
  • 在EMC实验室,传导辐射(150 kHz - 150 MHz)测试结果对比:
wKgaomarN_SAFguXAAAkxBE_HME031.pngwKgZomarN_-Ae_XbAANQwTXJR_U839.png
  • 电机母线电压,相电流波形

控制算法为FOC,相电流为正弦波,PID调节。

wKgZomarODGAGLGmAASmlkc832A827.png图7 电机相电流&母线电压波形wKgZomarOE2AaBTlAA0nkGIUTZo276.png图8 实验室测试波形
  • SVPWM控制下MOSFET开关状态
wKgaomarOKaAPcV9AACnHw_KsBw158.png

电机相电压波形

wKgaomarON2AK7z_AAZeuU6YLoM860.png

第一扇区PWM波形

wKgZomarOSWARyAHAACo7nMw3ms046.png
  • MOSFET温升
wKgZomarOU-AUcUZAA_vvninEL4791.png图9 汽车水泵电驱PCBwKgaomarOZSAOb9YAAWdOKbue9E150.png图10 MOSFET稳态温升wKgaomarOa-AWtP_AAQC4_Cqpww107.png图11 实验室温度,即环境温度

MOSFET的温升最高为54.7℃,器件整体损耗较小,所以温升不高;在72%负载输出时,系统整体效率超过90%。此外,BLDC电机应用,FOMg代表器件的整体损耗大小。

wKgZomarOeaAWxTwAABHzSw1sK4008.png
  • PDFN5060封装仿真—仿真环境
wKgaomarOgWARk8kAAKSvw35BWE558.png图12 PCB TOP View

wKgZomarOiqAbQdDAAFr-GNBYnE438.png图13 PCB Side ViewwKgaomarOkaAJmcUAAEOsQ-1PyM450.png
  • 仿真输入
    • 对两个工作器件不断施加1.5W负载,总功耗为3W;
    • 环境温度25˚C;
    • 气流为自然静态;
    • 瞬态热仿真结构
  • 仿真结果
wKgZomarOneAT0MKAAG38f_GzW0281.png图14 “1”号MOSFET温升

wKgaomarOqGAEs-wAAGYXcK9_1Y359.pngwKgaomarOrGAfNujAAH6DpFpVy0171.png图15 “3”号MOSFET温升

最高温度:127.04˚C

  • 仿真结果:温度上升过程(最高温度)
wKgZomarOu6AcdcnAASt19cowug601.png

审核编辑 黄宇

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