新能源汽车48V车身电机驱动系统级解决方案详解

智能化和电动化是新能源汽车发展的重要方向，其对电能的需求也越来越高。除此之外，因为电池的重量，整个车比纯燃油汽车更重，这使设计者不得不增加车身执行器的功率来提供更大的扭矩。但传统的12V电池受限于电流和电池电量等原因，不能为整车提供无限大的电流。所以如同整车低压供电电压升到12V一样，它还在继续往上升，迈向48V，从而为整车提供更大的功率输出和更高的能效。故越来越多的汽车厂家开始关注48V系统执行器的驱动。

系统拓扑图

为此，英飞凌在多年前开始布局研发48V的相关芯片。考虑到目前成熟的针对12V BLDC高性价比控制平台MOTIXTM MCU，英飞凌开发了level shift 芯片TLE9140。它也是gate driver器件，相当于直接替换了12V BLDC电机控制高集成芯片TLE987x和TLE989x的gate driver 部分，从而使他可以上升到48V BLDC电机驱动。该方案的另一个好处是客户可以复用他们成熟的12V BLDC电机控制平台，降低开发难度，缩短开发周期，一个平台兼容12V，24V和48V电机驱动。

 

MOTIXTM MCU

MOTIXTM MCU系列属于SoC (System on Chip) 级产品，集成了MCU，LDO，gate driver，电流采样和LIN收发器等模块。针对BLDC电机控制，推荐TLE987x和TLE989x系列，（找元器件现货上唯样商城）其内部框图如下所示，前者是针对LIN通信方案，后者是针对CAN通信方案。详细的信息和文档，可以在英飞凌官网搜索TLE987x/TLE989x，或者直接访问：www.infineon.com/tle987x或者www.infineon.com/tle989x。

 

TLE987x内部结构图

TLE989x内部结构图

48V系统Gate Driver

TLE9140是专门针对48V BLDC电机驱动设计的gate driver芯片，同时兼容24V系统，可以支持功能安全ASIL B级别应用。除此之外，设计上考虑了匹配英飞凌MOTIXTM MCU。其耐压高达100V，驱动能力高达230nC，最大驱动频率25kHz。先进的电流型gate driver可以帮助用户通过修改寄存器配置，从而非常方便地修正驱动波形，以匹配不同的MOSFET，无需修改硬件。除此之外，支持过压，欠压，过温，短路，开路，输入错误等故障检测。还配备了窗式看门狗，进一步提高系统安全性，确保软件死机的情况下，及时关断输出。16位SPI通信配置控制寄存器和通过状态寄存器获取芯片当前状态和故障。详细信息可以访问英飞凌官网: www.infineon.com 并搜索“TLE9140”。

TLE9140内部结构图

48V系统MOSFET

功率器件部分，英飞凌有非常全面的MOSFET的选择。在OptiMOSTM 5的基础上研发了新一代OptiMOSTM 7 沟槽MOSFET。针对48V应用，可提供80V和100V 两个电压等级。新一代OptiMOSTM 7的MOSFET采用尖端的双多晶硅沟槽技术以及业界领先的300mm薄晶圆技术与生产，如下图所示，80V和100V的MOSFET导通电阻相比于前一代有40%的降低，遵循了英飞凌低RDSON ,低导通损耗的发展宗旨。除此之外，新一代技术的MOSFET 具有更小的门极充电电荷，开关速度更快，降低了开关损耗。这两大特点在电机驱动的应用中优势较为明显。

 

 

英飞凌OptiMOSTM 7也遵循明确的封装策略，将无引脚封装结合铜夹技术推向市场，为满足48V电机驱动的应用，80V和100V MOSFET包括了市场电机驱动需要的热门封装：除了S3O8, SSO8单MOSFET, STOLL，TOLL封装，另外还有100V SSO8双MOSFET, 不同的封装，不同的导通电阻，不同的电压等级可以适用于几十瓦到几千瓦不同的功率等级，完美地满足了客户的各类需求。具体选型表可以访问英飞凌官网，并搜索“Automotive MOSFET”。

角度传感器

虽然无传感器控制，可以帮助客户在有些应用降低成本，例如水泵和冷却风扇。但在一些应用中，为了更精准的控制，客户会用到电机转子位置传感器，例如油泵。英飞凌位置传感器主要包括霍尔开关和磁阻角度传感器。

霍尔开关的产品系列中，我们既为电池供电的设计提供了过压能力高达42V（不加外部电阻的情况下），支持32V供电的TLE4961/TLE4964/TLE4968系列；也为EMC工况较好的设计提供了高性价比5V供电的TLE4963/TLE4965系列。用户可以根据实际系统设计和磁场需求选择合适的型号。详细信息可以访问英飞凌官网，并搜索“magnetic switch”。

 

英飞凌霍尔开关和锁存器的产品序列

英飞凌还提供了各种基于磁阻效应（GMR，AMR，TMR）的角度传感器。我们既提供了计算完角度直接输出数字量信号的传感器TLE5012B/TLE5014，也提供了输出sin/cos信号的模拟量输出的传感器TLE5x09/TLE5501。对于精度的改善，TLE5012B内部带自校准算法；TLE5014内部带32点查找表补偿；TLE5x09和TLE5501的补偿算法可以集成在客户的MCU内，从而降低系统成本和实现更高的精度。客户可以根据实际需求选择合适的产品，详细信息可以访问英飞凌官网，并搜索“angle sensor”。

 

英飞凌基于磁阻效应的角度传感器搭配磁铁的位置关系

英飞凌基于磁阻效应的汽车级角度传感器的产品序列

评估板及系统方案验证

针对本文介绍的48V车身电机系统级驱动方案，英飞凌开发了对应的评估板，实物图如下所示。详细信息可以访问英飞凌官网，搜索：TLE9140EQW EVAL。

 

电流波形


审核编辑 黄宇