现代电机驱动器为电动工具设计提供通用平台吗（现代电动汽车电机驱动子系统）

作者：Charles Keefer，高级现场应用工程师

快板微系统公司

在当今多样化的电动工具市场中，广泛的电池电压和扭矩要求通常导致设计使用不同的平台来支持有限的产品范围。如果使用单个全行业平台来服务计划的产品系列，则研发计划可以显着节省时间和成本。

一些电动工具系列覆盖12 V 至24 V 范围，而其他电动工具范围覆盖12 V 至60 V 范围。如果包括草坪工具，范围可扩展至80 V。由于工作电池电压更高，更恶劣的环境会在驱动器输出级上引入更大的负瞬态，因此需要低功率和高功率电机驱动器芯片的各种印刷电路板(PCB) 设计。通用无刷直流(BLDC) 或半桥驱动器芯片可以涵盖市场上所有电动工具设计的范围，这将减少开发和生产新电动工具所需的时间和精力，从而整合软件开发时间和PCB 设计/测试周期。

能够为市场上各种电动工具提供服务的单一平台设计必须考虑到这些设备的最大电压范围。许多电机驱动器设备的最大电源电压仅为40 V。这在大多数24 V 或36 V 系统中留下了足够的余量，以提供坚固的设计，能够承受电机运行期间电动工具电源电压上可能出现的恶劣电压瞬变。具有更宽电源电压范围、可承受这些瞬态的独立栅极驱动器（例如下面讨论的50 V 及以上栅极驱动器）将使系统设计人员能够随着时间的推移在各种电动工具电池上实现通用设计并节省资源。

对于更高功率的48 V、60 V 或80 V 系统，集成三相BLDC 解决方案较少。当电源通过紧凑的高压半桥分布在电路板周围时，必要的电动工具设计可能更容易实现。采用超小型3 mm 3 mm DFN 封装的100 V 半桥将有助于实现这一目标。宽电源电压范围允许使用小型12 V 钻电机或更强大的80 V 串式修剪器和单一PCB 架构，其中- 为了节省低功耗工具的成本- 可以根据所需的功率水平更换各种MOSFET 。

高端电动工具通常支持延长工作时间或以频繁、快速、高功率脉冲进行操作。它们的峰值扭矩额定值也可能超过1200 in-lb 或130 Nm（通常在2000 rpm 时计算）。另一方面，电池供电的割草机需要较小的扭矩，但仍需要长时间高速运行。这表明通用平台栅极驱动器需要能够驱动12 V、30 kW 峰值钻机和80 V、4.5 kW 割草机。当两种工具的共同扭矩额定值转换为功率时，驱动器需要适应的跨度如下：

功率[kW]=（扭矩[Nm]转速[rpm]）/9550

高功率钻峰示例：

功率=（130牛米2100转/分）/9550=27.6千瓦

低功率、长寿命割草机示例：

功率=（12牛米3500转/分）/9550=4.4千瓦

上述功率水平决定了任何给定系统中使用的驱动器和MOSFET。

大多数驱动器的栅极驱动电压在7V 到13V 之间。这些器件中常用的一些MOSFET 的总栅极电荷在标称10V 电压下变化很大。薄型40 V DFN MOSFET 的总栅极电荷可能为65 nC，而100 V MOSFET 的总栅极电荷可能仅为35 nC。为了确保支持该工具系列的完整功率谱，必须考虑驱动器可以提供给MOSFET 栅极的平均VREG 电流，以将MOSFET 保持在导通状态。

还必须考虑最大拉电流和灌电流，以确保MOSFET 快速通过米勒区；然而，脉宽调制(PWM) 驱动频率和MOSFET 尺寸的限制因素将是驱动器可为栅极驱动提供的平均电流。用于确定在给定PWM 频率下保持MOSFET 处于导通状态所需的平均VREG 驱动电流的公式为：

I 平均值[mA]= fPWM [kHz] QG(tot) [nC] 1000 驱动MOSFET 的数量

例如：

I(100V_FET，平均值)=6 20 kHz 35 nC 1000=4.2 mA

I(40V_FET，平均值)=6 20 kHz 65 nC 1000=8 mA

I(80V_FET，平均值)=6 20 kHz 140 nC 1000=17 mA

驱动MOSFET 的数量随驱动器方案的不同而变化- 正弦驱动器有6 个，梯形驱动器有2 个，两相正弦驱动器有4 个。在本例中，使用20 kHz 将驱动频率保持在可听范围之外。

图1：通用驱动器IREG 功能图以及在不同PWM 频率下维持6 个35 nC MOSFET 导通状态所需电流的计算。

存在更多MOSFET 选项，并且总栅极电荷的值是无限的。关键点是，在任何系统中，设计人员在选择驱动器之前都必须解决影响平均VREG 驱动器电流的组件之间的相互作用。使用总栅极电荷为65 nC (10 V) 的MOSFET，IREG 平均电流为15 mA（以20 kHz 驱动）的驱动器将为强大的栅极驱动提供充足的余量。使用与低功耗工具相同的设计，MOSFET 可以更换为具有较高总栅极电荷的较低ID 额定值的器件。

图2：强大的电机驱动器可实现灵活的PCB 设计。

跨越12 V 至80 V 范围的系统需要具有更高额定功率的驱动器，以支持高功率18 V 钻机和80 V 割草机。虽然合适的集成三相BLDC 驱动器的选择有限，但一组强大的100 V 半桥就足够了。 Allegro A89500[1] 是一款额定电压为100 V 的半桥，可驱动30 kW 或4 kW 系统。峰值灌电流和源电流足够高，可以快速将MOSFET 切换到导通状态，并且可以使用外部电阻器轻松编程，从而实现高度灵活和稳健的电磁兼容性(EMC) 设计。然后，独立的栅极驱动电源支持在高电流100% 占空比条件下将MOSFET 保持在导通状态所需的所有电流。

电动工具系统设计中的下一个考虑因素是驱动器的鲁棒性。在高扭矩电机产生大瞬变的恶劣环境下，它的表现如何？

当驱动器切换控制峰值功率为30 kW 的电机的MOSFET 时，必然会出现较大的正负瞬态脉冲。系统设计人员可以在MOSFET 桥式电源上放置多个电容器，或者选择具有一流瞬态保护功能的驱动器，从而节省PCB 空间和BOM 成本。 Allegro 的电动工具栅极驱动器产品组合（例如额定电压为50 V 的A4919[2] 和额定电压为100 V 的A89500）可提供直接内置于电路中的一流负瞬态保护。 A89500 的高侧栅极驱动器输出可承受相位连接上18V 至100V 的短期瞬态电压。 A4919 和A4915 [3]（用于低于40 V 工具的类似尺寸设备）是电动工具的热门选择，并且在相位连接上提供一流的负瞬态鲁棒性。虽然该市场上的一些其他选项在同相连接时可稳定至8V，但许多供应商只能支持低于接地电压约2V。这些不太坚固的解决方案需要单独的PCB 设计，用于要求更高的大功率工具或重要的保护电路，而电动工具市场的低功率端不需要这些电路。

图3：Allegro 和其他供应商栅极驱动器的相连接瞬态鲁棒性和最大电源电压额定值。

为了确定支持一系列工具的设计的最佳驱动程序，系统集成商必须考虑几个问题。该系列中所有工具的电池电压范围是多少？需要什么尺寸的MOSFET？是否有空间容纳额外的保护电路，或者是否可以将其引入栅极驱动器中？

无论采用哪种系统，当今都有一些设备可以为电动工具设计提供通用平台。 A4919 是一款小型直接驱动栅极驱动器，具有坚固耐用的栅极驱动电路，能够支持大多数低于40 V 的系统。 A4915 是一款类似尺寸的设备，适用于低于40 V 的工具，具有集成霍尔效应传感器电源和反馈以及电机驱动控制逻辑。 A4915 的内置控制逻辑通过一个简单的接口减轻了电机控制算法的负担，从而节省了空间。对于12 V 至80 V 范围内的工具集，小型而强大的A89500 半桥是轻松驱动具有高总栅极电荷的高功率MOSFET 或小型多封装低功率MOSFET 的最佳选择。所有这些器件都允许系统设计人员将电动工具系列简化到单个PCB，从而节省测试时间、减轻软件资源负担并实现更快的开发。

审稿编辑黄浩宇