SMT4005AHP(D)Q在70W汽车水泵中的应用

 

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)电机及逆变器冷却：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。

图1 汽车水泵MOSFET驱动系统

• SMT4005AHPDQ技术参数

• MOSFET控制方式

FOC矢量控制的基本过程为，第一步，通过主芯片的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。

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。

图3 测试实物图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。

• 根源1：dv/dt通过米勒电容Cgd的耦合

图5 dv/dt耦合回路

而MOSFET寄生电容之间的关系如下：

因此，

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%。

MOSFET内部等效电路图如下：

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；

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。

• RC snubber电路增加前后的波形对比：

• 在EMC实验室，传导辐射（150 kHz - 150 MHz）测试结果对比：

• 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。

图7 电机相电流&母线电压波形图8 实验室测试波形

• SVPWM控制下MOSFET开关状态

                  电机相电压波形

               第一扇区PWM波形

• MOSFET温升

图9 汽车水泵电驱PCB图10 MOSFET稳态温升图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。

• PDFN5060封装仿真—仿真环境

图12 PCB TOP View

 

图13 PCB Side View

• 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

图14 “1”号MOSFET温升

 

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）

 

审核编辑 黄宇