采用氮化镓IC的电动助力转向

在现代汽车中，增加的重量和更宽的前轮胎使无辅助转向变得不切实际，因为对操作员的阻力增加。因此，几年前，采用了电动助力转向。一开始，对驾驶员的辅助是通过液压系统完成的，并且始终运行的泵用于为回路中使用的液体提供必要的压力。然而，政府呼吁减少排放，要求汽车制造商转向电动助力转向系统（EPS）。

使用EPS，液压系统被电动机取代，该电动机仅在需要时为驾驶员提供帮助。其数字辅助控制可以在线修改以适应驾驶条件。但是，有几个设计约束需要考虑。一个是驾驶员不想缺少轮胎的触觉反馈，尤其是当车辆很大时，例如卡车。其它限制由安全法规决定，特别是对于自动驾驶车。这些限制要求采用高效、准确和冗余的系统。氮化镓技术在所有这些领域为设计人员提供帮助。

不同类型的EPS

EPS降低了能耗，因为它仅在驾驶员驱动方向盘时才提供辅助。EPS的一个缺点是模仿“传统”液压动力转向的触觉具有挑战性。EPS的工作原理很简单：转向柱上有传感器来检测转向角和扭矩，电子控制单元（ECU）分析信号并确定所需的辅助量，安装在转向柱或齿条上的电动机根据ECU的指令驱动辅助力。根据驱动机构的不同，几种类型的EPS广泛用于量产车。在本文中，我们将看看其中的一些。

柱式EPS（图1）广泛用于小型经济型车辆。在柱式EPS中，电机安装在转向柱上，直接驱动转向轴。其优点是结构简单，成本低。由于电机位于仪表板内部，因此不会受到水和极端温度的影响;因此，可以进一步降低生产成本。电机安装在转向轴的顶部，增加了惯性和摩擦力，但消除了驾驶员的触觉反馈。

图1：柱式EPS。辅助电机位于红色框内。

平行轴EPS（图2）将电机安装在轮胎之间的齿条中。施工方法决定了成本和驾驶员在驾驶时的“感觉”。平行轴EPS更昂贵，但它也更准确，并且已被提供自动驾驶辅助的汽车采用。

图2：平行轴EPS。电机轴与红色盒子内的机架平行。

扭矩和位置传感器位于方向盘和齿条中。电机通过皮带和循环球齿轮箱直接连接到齿条，提供4：1的转换比。出于安全原因，也根据车辆尺寸，电机绕组和逆变器是冗余的，即使在部分系统故障的情况下也能获得帮助。由于该系统用于自动驾驶系统，因此电机控制精度至关重要。

线控转向系统（图3）可以消除转向柱以及方向盘和转向器之间的机械连接。车辆方向盘上的传感器感应每个旋转运动。与平行轴EPS一样，齿条转向器上的电动机产生传递到拉杆的力。方向盘上的另一个电动机产生驾驶员熟悉的触觉反馈，这些反馈来自传统的转向系统。该转向系统可以通过电子方式进行调整，以适应驾驶员的偏好。它已成为大型车辆（如农业机械和卡车）中必不可少的。

图3：线控转向就绪系统。红色盒子里有两个电机。

EPS逆变器说明

控制连接到EPS机架的电机的电子部分包括至少两个提供冗余的逆变器。电机有三相、六相或九相，具体取决于车辆，每三相都有一个逆变器。在单个三相电机的情况下，至少有两个逆变器。在最先进的系统中，使用传统的磁场定向控制（FOC）技术在没有传感器的情况下控制电机。在先进的驾驶辅助系统中，需要零速时的精确扭矩控制，并且通过高频注入（HFI）算法获得。逆变器的框图如图4所示。

图4：采用高频注入的无传感器磁场定向控制

如图4所示，在方向盘上使用类似的无冗余系统，用于线控转向系统中的触觉反馈。在所有这些情况下，氮化镓技术有助于提高效率，减小尺寸并确保与传统硅器件相比的高控制精度，从而提供更高的性能和更安全的驾驶体验。

氮化镓场效应晶体管和IC有利于逆变器和电机

氮化镓器件是功率转换领域的领先创新。GaN基逆变器的优势和技术优势在电机驱动应用中变得越来越明显。1与硅MOSFET相比，GaN FET的开关速度更快，同时浪费的开关能量更少。此外，GaN FET每平方毫米面积的导通电阻较低，这有助于缩小芯片尺寸并提高转换器的功率密度。

与分立式等效电路相比，使用GaN单片集成电路（IC）进行功率转换具有更多优势。由于栅极驱动器和功率器件集成在同一芯片上，因此基本上消除了栅极环路电感。功率器件之间的短路径也降低了高端器件的共源电感。此外，由于采用芯片级封装，功率环路电感被最小化。电路的整体尺寸减小，因为不需要外部栅极驱动器。使用LGA和QFN封装简化了将器件连接到散热器的过程，从而增强了从结点到环境温度的热阻。

最近，EPC推出了其基于ePower平台的EPC23102，2它结合了前面描述的所有功能。EPC23102的额定电压100V，能够以1MHz开关频率向负载提供35A连续电流。集成功率FET的典型导通电阻为6.6mΩ。外部5V电源偏置内部电路，输入逻辑与3.3V和5V CMOS 技术兼容。外部电阻可调整开关转换，因此设计人员可以在上升和下降时间与过压尖峰和振铃之间定义最佳折衷方案。内部电路包括电平转换和同步自举，用于高侧器件电源。EPC23102的框图如图5所示。

图5：EPC23102框图

在电机驱动应用中，氮化镓逆变器可以以数百千赫兹的频率切换，并将死区时间减少到几十纳秒。设计人员可以通过权衡EMI、功耗和绕组绝缘要求来选择施加于电机绕组的过渡电压变化率（dV/dt）。这些应用中通常使用5V/ns的变化率。增加脉宽调制（PWM）频率并缩短死区时间可以减少输入滤波器并仅使用陶瓷电容器。它还提高了电机效率3因为施加电压的总谐波失真越低，产生的谐波就越少。扭矩中的谐波会引起不希望的振动，这只会导致机械损失。PWM频率增加的另一个基本影响如图6所示，其中同一电机以100kHz开关频率在接近饱和的高温下运行，与在20kHz下控制时相比，电流控制更好，纹波更小。

图 6：在46A电流下接近饱和运行的相同电机在高温和不同的PWM频率下PK

将PWM频率提高到100kHz的能力也有利于HFI算法在零速和极低速度下进行精确的电机控制。在这种情况下，基于间接反电动势传感的传统无传感器FOC算法不起作用。它们需要通过调制信号的HFI（在几千赫兹的范围内）进行检测，以确定转子磁体的位置。转子位置检测的精度取决于PWM频率与注入频率之间的比率。比率越高，位置检测的精度就越高，因此电机控制的精度就越高。

EPC电机驱动参考设计

基于IC 的电机驱动应用可实现更小的电路板和更简单的设计。EPC发布了两款使用IC的电机驱动逆变器参考设计板。

EPC91734是一款1.5kW电机驱动板，包括6个EPC23101 IC。PQFN封装出色的热性能使逆变器能够提供20Arms（无散热器）和25Arms（有散热器）的电机电流，当开关频率高达50kHz时，芯片相对于环境温度的升高保持在100°C以下。

EPC91765是一款400W电机驱动逆变器，采用三个EPC23102 IC，输入电压范围为14–65V。当开关频率高达60kHz时，它可以提供 15Arms（无散热器）和20A（有散热器）的电机电流，自然对流冷却使芯片相对于环境温度的升高保持在100°C以下。

EPC9173和其它电机驱动参考设计（如 EPC9167HC）可用作开发和测试齿轮箱电机氮化镓技术的起点。EPC9176可用于农业机械和卡车方向盘中的触觉反馈电机。所有EPC电机参考设计都附带一个从功率板到运动控制器的标准连接器，因此设计人员可以使用他们喜欢的控制器，而无需在初始开发阶段设计功率板。EPC9173参考设计板和开关单元的放大细节如图7所示。

图7：采用QFN封装EPC9173 GaN IC的EPC23101参考设计

电机逆变器板具有用于电流测量、相电压检测、直流母线电压检测的分相电阻器、用于传感器控制和保护电路（如过流保护和欠压锁定）的霍尔/编码器接口。

与基于硅MOSFET的逆变器相比，GaN器件在电机驱动应用中具有多个优势，硅MOSFET逆变器开关频率通常受开关损耗限制在40kHz，死区时间通常在200-500ns范围内。基于GaN的逆变器以数百千赫兹的频率运行，死区时间为数十纳秒，消除了扭矩中的谐波，减少了振动，提高了电机效率。当HFI算法与无传感器FOC结合使用时，较高的PWM频率能在低速下实现更高的电机控制精度。

参考文献：

1.Lidow et al. (Sept. 30, 2019). “GaN Transistors for Efficient Power Conversion.” Third Edition, Wiley. ISBN 978-1-119-59414-7.

2.EPC. “EPC23102: 100 V, 35 A ePower Stage IC.”

3.Lidow, A. (Oct. 4, 2021). “GaN Power Devices and Applications.”Chapter 6, First Edition, Power Conversion Publications. ISBN 978-0-9966492-2-3.

4.EPC. “EPC9173 – Development Board.”

5.EPC. “EPC9176 – Development Board.”

6.AutoZine. “Steering.”

7.Nexteer Automotive. “Steer-By-Wire.”

8.EPC. “Industrial GaN Application: Motor Drive.”

来源：星辰工业电子简讯