具有功能安全特点的EPS电控系统方案(下)

接上期
2)功率电路
EPS系统的功率电路主要实现三部分功能。一，由6个 N-MOSFET组成的三相逆变全桥的逆变功能；二，由串联在 三相桥上方的N-MOSFET实现的电池反接保护功能；三，执 行功能安全关断输出命令的相切断功能。
总的来说，功率电路首要考虑的是可靠性和效率。
先说效率，除精细的FOC电机控制方法外，MOSFET 器件本身是效率的另一个决定因素。好的MOSFET意味着 更低的RDS(ON)、更低的开关损耗，功率电路才可能有更高 的效率。EPS系统功率从300W到几千瓦不等，对MOSFET 的电流跨度要求也很大。 图7方案里40V的Infineon汽车级 N-MOSFET完全能满足这个功率范围的不同需求，并且有着 业内领先的导通和开关损耗。
可靠性针对不同功能涉及的内容也不同。对于三相逆 变全桥来说，因其工作原理非常成熟，所以这部分的可靠性 主要受制于系统设计能力、PCB布局走线、电磁兼容EMC以 及热设计等相关的设计能力。英飞凌北京汽车系统工程部在 这几方面积累了多年的经验，尤其是在用单层铝基板实现方 式上有着非常成熟的方案。
对于串联在三相桥上方的N-MOSFET的电池反接保护
功能，由于实现比较容易，所以其可靠性主要体现在原理层 面。简单来说，驱动防反N-MOSFET需要一个上浮的门极驱 动电源和一个开关控制信号。门极驱动电源来自TLE9180的 上管驱动专用电源管脚。开关控制信号一般由MCU的一个 普通I/O管脚产生即可。当电池极性正常连接时，TLE9180 的上管驱动专用电源正常工作，MCU控制I/O管脚将门极 驱动电源输出给防反N-MOSFET的门极，防反N-MOSFET 导 通 并 一 直 维 持 导 通 状 态 。 一 旦 电 池 极 性 接 反 后 ， 由 于 TLE9180没有正常供电，不能产生上管驱动电源，因而防反N-MOSFET门极没有驱动信号，呈关闭状态。
下面重点介绍相切断单元。首先要说明使用相切断单 元的背景及原因。传统的EPS配有电磁离合器，装在减速机 构与电机之间，作用是保证EPS系统只在设定的行驶车速范 围内起作用。当车速达到界限值时，离合器分离，电机停止 工作，转向系统成为手动转向系统。另外，当电机发生故障 时，离合器将自动分离。而新一代的EPS已经取消电磁离合 器，因为汽车高速时，仍需电机提供阻尼，实现高速时的沉 稳感。另外，因电机轴承故障而卡住电机输出轴的概率远 比EPS电控逆变电路出故障而短路相绕组的概率低，所以目 前的主流技术只考虑发生故障时用电子开关EPS电控功率电 路和电机。早期机械继电器切断功率电路和电机，但因其 体积大、成本高、抗震差等缺点而被淘汰。取而代之的是 MOSFET。
用MOSFET实现相切断功能有几个棘手的问题。1. 其所 处的电路位置造成很难有续流回路。2. 相切断MOSFET关断 时的关断电流通常都是故障电流，其值比较大，通常会超过
100A。3. 关断时的故障电流的上升速率不可预知。di/dt有 时会很高，尤其是在转子位置和导通的MOSFET严重不匹配
时。
所以，要实现相切断MOSFET单元真正的产业化应用， 必须要解决几个问题。1. 提供3个相切断MOSFET在关断后 的电机电感续流回路；2. 要有适当的策略、方法和必要的电 路来可靠关断故障电流。
3)外围传感器 采用三相PMSM或BLDC电机实现的EPS系统需要三类
传感器。第一类是三相PMSM或BLDC电机控制用的转子位 置传感器；第二类是EPS方向盘扭矩传感器；第三类是EPS 方向盘转角传感器。这三类都是EPS系统涉及功能安全的关 键元器件。功能安全对关键输入信号的基本要求是要有冗余
备份。
(a)三相PMSM或BLDC电机控制用的转子位置传感器 为实现三相PMSM或BLDC电机扭矩的精准控制和减小
扭矩波动，主流技术是采用FOC磁场定向控制方法。为实现 FOC控制需要知道实时电机转子相对于定子的角度信号，即 转子位置信号。主流的转子位置传感器有两种：带霍尔的增 量编码器和旋转变压器。相较于Infineon的巨磁阻效应的两 类传感器TLE5309D和TLE5012BD，旋转变压器和带霍尔的 增量编码器价格贵很多。图7给出的方案是用户在这4种传感 器中任选两个作为一个组合用于功能安全的转子位置检测。 TLE5309D是Infineon应ISO26262的要求专门为EPS系统 应用设计的Dual-sensor封装的角度传感器芯片。Dual-sensor 封装技术是将两个完全独立的传感器芯片集成在一个塑封封 装里，既实现了冗余又减小了体积。TLE5309D内部晶圆上 面集成了一个GMR(巨磁阻效应)传感器芯片，晶圆下面集 成了一个AMR(异向性磁阻效应)传感器芯片。每个芯片的输 出信号都是两路差分模拟信号。AMR和GMR芯片输出的角 度精度分别是0.1和0.6度。TLE5309D的特点是速度更快、精
度更高。
TLE5012BD角度传感器芯片也是Infineon应ISO26262的 要求专门为EPS系统应用设计的Dual-sensor封装的角度传感 器芯片。不同的是在TLE5012BD内部晶圆上下分别集成了两 个完全一样，且完全独立的GMR芯片。输出形式也不同，有三线SPI、增量编码器协议、PWM协议、霍尔协议等几种
不同协议的组合。TLE5012BD的特点是输出协议方便、灵 活、通用化，并且是数字信号输出。
(b)EPS方向盘扭矩传感器
T L E 4 9 9 8 x 8 D 系 列 线 性 霍 尔 传 感 器 芯 片 是 In f i n eo n 应 ISO26262的要求专门为EPS系统应用设计的Dual-sensor封装 的方向盘扭矩传感器芯片。TLE4998x芯片内部集成了数字 信号处理器，将模拟的扭矩信号转换为数字信号并以常用 的SENT(Single Edge Nibble Transmission)和PWM通讯协议输 出。因为内部集成了两个完全一样的TLE4998x芯片，如果 不需要更多的冗余备份的话，一片TLE4998x8D就能满足EPS 扭矩传感器的要求。
(c)EPS方向盘转角传感器
TLE5012BD角度传感器芯片也能用于方向盘转角传感 器。如前所述，一片TLE5012BD就能满足EPS方向盘转角传 感器的需求。

5  结束语
随着电动助力转向EPS的逐渐普及，EPS的安全要求也 越来越高。本文从功能安全的视角介绍了英飞凌的EPS电控 系统解决方案，由此可见，英飞凌不仅能提供具有功能安全 特点的一揽子芯片，同时还有能力提供EPS系统级的技术支 持。