直流无刷电机在汽车领域的优势及应用前景

当前，汽车功能电子化趋势正日益加强，以应对日益严格的燃油能效法规，和满足消费者对节能、安全、舒适以及便捷等方面的更高要求。汽车已经从单纯的机械产品变身为复杂的机电一体化产品，安装在汽车中的电机数量持续增加。据预测，到2020年，植保无人机动力系统，每辆豪华车中的电机数将多达120台。直流无刷 (BLDC)电机由于具有多种优势，正被越来越多地整合至汽车水泵、油泵、燃油泵、散热风扇、暖通空调(HVAC)、混合动力系统、座椅风扇等部件，实现更高能效和性能。

　　

图1：无刷直流电机在汽车中的应用

　　直流无刷电机的优势

　　直流无刷电机无需电刷和换向器，解决空间受限的系统设计，且不用担心一般的磨损、火花和噪声，提供良好的控制，为汽车内的特定应用提供可变速控制。更重要的是，直流无刷电机可提升燃油能效，节省约60%~70%的能耗。当无刷电机用于电动助力转向(EPS)，行驶里程增加3~5%，用于 电动水泵(EWP)及电动油泵(EOP)提升约3%的能效，动力电机，用于燃油泵提升约1%的能效。例如，水泵和油泵通常通过发动机电源运行。如果发动机停止，发动机启停系统就没有电 源。但是，如果电机用于水泵和油泵，无论发动机是启动还是停止，这些功能都可独立运行，从而提升燃油经济性。

　　采用直流无刷电机的设计考量

　　若采用直流无刷电机替代有刷电机，那么以前必须由换向器机械式完成的工作，现在通过三相逆变器电气化完成。逆变器需要一个门极驱动器，它通常由一个微控制器实施复杂的软件算法来控制。这增加了系统复杂性，对工程师来说是一大技术挑战。而安森美半导体推出的智能直流无刷电机控制和驱动芯片LV8907，可解决这一挑战。该方案无需外部电机位置传感器或系统微控制器，减少PCB占位面积，自带嵌入式控制算法，无需自写电机控制算法，降低系统复杂性，缩短开发周期，加快产品上市。

　　

图2：LV8907无需传统方案中的微控制器和传感器

智能直流无刷电机方案LV8907概览

　　LV8907利用无传感器驱动逻辑实现无传感器120度或150度控制换流，采用近似正弦波运行以满足无声驱动要求。可配置的参数适合一系列电机和负载组合，一次性可编程(OTP)内存提供参数存储，实现方案定制化，省去外部元件来执行各种设置，实现独立工作，集成门极驱动器，用于驱动外部N-MOSFET，电荷泵驱动提供100%占空比和扩展的低压工作。芯片通过LIN接口与外界交互，SPI接口提供配置、实时控制和诊断。在汽车应用中，要求能在150 °C的环境温度(Ta)和170 °C的结温(Tj)下工作，LV8907耐受工作结温达175℃，确保在严苛的汽车工作环境下的可靠性，完全符合AEC-Q100标准。

　　

图3：LV8907框图

　　由于LV8907高度集成MOSFET门极驱动器、LIN收发器和低压降稳压器(LDO)，最大限度地减少占位面积；无需依赖的位置传感器，无软件缺陷，故障监测及诊断功能完善，集成逐周期限流、过流保护、过压/欠压保护、过温保护、堵转保护等一系列保护特性，基于状态机的方案采用OTP实现参数化，无EMI/EMC问题引起的数据损坏，实现最高系统可靠性；LV8907无需软件和易于定制，比基于微控制器的方案缩短达80%的开发时间，加快产品上市，并节省物料单成本。

　　更高集成度的智能功率模块(IPM)

　　随着降低汽车内电子电路成本、减小尺寸及重量，和实现更高可靠性的要求日益增加，智能功率模块可更好地满足趋势所需。如安森美半导体的STK984系列，集成BLDC LV8907和多个独立的功率MOSFET，无需电路板、传感器和外部微控制器，节省空间、减轻重量，成本也随之降低，用于驱动汽车滑动门、EPS单元、泵、雨刮、HVAC和散热风扇，提供更高可靠性。

　　

图4：独立的无传感器式电机控制IPM

　　STK984系列采用独特的绝缘金属基板技术(IMST)，将不同结构的半导体元件及无源器件和其它部分集成到单个模块中。IMST结构通过使用绝缘层覆盖铝片，将铜箔置于顶层，并在铜箔上蚀刻，使单层布线图案能被自由定制。基于IMST的IPM，由于功率晶体管、提供温度检测的控制电路和保护电路可贴装在同一板上，从而最大限度减小温度检测的误差，实现高精度温度检测；由于在金属基板的铝片和铜箔之间有一个分布式电容通过绝缘树脂，有效地降低噪声；此外，IMST结构还提供出色的散热性能。

　　例如，3相无刷电机驱动器IPM STK984-090A-E/091A-E内置预驱动器IC、分流电阻和电荷泵电路，集成过流、过温、过压/欠压等保护特性，可用于汽车鼓风机风扇、散热风扇、水泵和滑动门等等。

　　又如STK984-190-E集成7 个MOSFET到单个小封装中，采用直接键合铜(DBC)基板，无需绝缘衬垫，具有低热阻抗，提供极佳散热性和设计灵活性，内置反向连接电池保护，提升可靠性，完全符合AEC-Q100要求，用于12 V系统时的电机功率达300 W。同分立方案相比，STK984-190-E的占位面积、重量、元件数和热阻抗分别减少48.7%、36.2%、53.8%和21.1%，是用于汽车雨刮器、风扇和泵等应用的理想器件。

　　为应对汽车功能电子化趋势，车用电机正越来越多，并从有刷直流向无刷直流发展。随着减小尺寸及重量、降低系统成本和实现更高可靠性的要求日益增加，需要不断提高集成度。安森美半导体提供全面的无刷电机方案，包括分立和集成方案，如无传感器的BLDC LV8907及更高集成度的IPM STK984系列，解决软件编写、空间、成本和设计时间等方面的挑战，提供更高能效、功率密度和系统可靠性，是水泵、油泵、燃油泵、散热风扇、HVAC、雨刮器和滑动门等汽车应用的理想选择。