48V 系统：典型辅助电源逆变器的设计注意事项

在我们之前关于 48V 汽车系统的文章中，我们提到更严格的排放标准正在推动新的汽车架构。汽车制造商实现 CO 2排放目标的一种方式是采用轻度混合动力配置。在这里，48V 锂离子电池辅助内燃机驱动汽车；储存回收的能量；并为泵、风扇、加热器和压缩机等辅助负载供电。这些辅助负载，以前可能由皮带或液压驱动，现在电气化（电子负载）。但是，如何使用 48V 电池为电子负载供电？在本博客中，我将讨论使用 48V 电池电源为无刷直流电机 (BLDC) 供电的主要考虑因素。

BLDC 是高效电机，非常适合电池电子负载应用。它们需要一个用于功率级的六晶体管逆变器（参见图 1）。电源总线电压（在本例中为 48V 电池）通过 10-50kHz 范围内的脉宽调制 (PWM) 顺序施加到电机绕组，以产生旋转。主微控制器控制换向，它根据霍尔传感器或电机的反电动势 (EMF) 计算转子位置，并为所需的电机速度和扭矩响应生成 PWM 信号。通常，一个三相预驱动器或三个半桥预驱动器将驱动功率晶体管。由前置驱动器和晶体管组成的功率级在整体系统效率和性能方面发挥着关键作用。

图 1：功率逆变器

在设计功率级时，有许多关键考虑因素，包括直流总线电压、功率晶体管选择和栅极驱动器选择。

母线电压

让我们看一下电源总线电压。这是一个 48V 电池，但当然这是标称电压。电池电压随可用充电状态、温度和不同的充电/放电负载条件而变化。LV148 规范规定范围在 24V 和 52V 之间，因此您需要能够处理开关电源节点电压的预驱动器和功率晶体管，以及一些潜在尖峰（感应开关、负载突降、反向电磁场）。在 48V 的情况下，可以在电源节点上处理至少 100V 的晶体管和驱动器是一个不错的选择。

晶体管选择

在轻度混合动力应用中，实现电池电量的最有效利用是实现每加仑英里数 (mpg) 和 CO 2排放目标的关键之一。高效的逆变器从晶体管选择开始。首先，考虑电机的额定电流，包括稳态和启动（启动电流可能明显高于稳态）。晶体管的通态电阻 (R DSon ) 和相应的电流额定值应超过电机的峰值要求。

除了功率处理能力之外，MOSFET 的其他关键规格还包括栅极电荷 (Q G )、寄生电容 (C ISS、C RSS、C OSS ) 和体二极管特性。所有这些都会影响功率逆变器的效率。具有低 R DSon的大电流 MOSFET 可将传导损耗 (I 2 R) 降至最低，但由于较高的栅极电荷和寄生效应，通常具有较大的开关损耗。图 2 显示了MOSFET 中导通损耗和开关损耗与 R DSon之间的权衡。

图 2：开关损耗和传导损耗之间的权衡

考虑到应用中相对较低的开关频率（<50kHz），传导损耗将是功耗的很大一部分，因此低 R DSon MOSFET 非常重要。

栅极驱动器选择

开关电源应用需要将栅极驱动器与晶体管相匹配，以确保驱动器能够提供峰值电流并满足应用的开启和关闭时间。最佳开关时间取决于所需的开关频率、可接受的电磁干扰 (EMI) 生成以及从驱动器到栅极的走线长度。

控制晶体管所需的峰值驱动电流与栅极电荷和选择的开关时间成正比。等式 1 显示了栅极电荷、所需开关时间和所需驱动电流之间的关系。

我建议选择峰值电流能力为 1.5~2 * 的栅极驱动器

在需要减慢转换速度的情况下（例如降低 EMI），您可以添加一个栅极电阻；但是，这会增加一些延迟时间并增加开关损耗。

对于此应用，UCC272 01A-Q1  120V 3A 半桥驱动器（符合汽车标准）和CSD19536KTT 100V N 沟道 NexFET™ 功率 MOSFET 非常适合。

UCC27201A-Q1高频N沟道MOSFET驱动器包括一个120-V自举二极管和具有独立输入的高侧/低侧驱动器，以实现最大的控制灵活性。这允许在半桥、全桥、双开关正激和有源箝位正激转换器中进行N沟道MOSFET控制。低压侧和高压侧栅极驱动器独立控制，并在彼此的开启和关闭之间匹配1-ns。UCC27201A-Q1基于流行的UCC27200和UCC27201驱动程序，但提供了一些增强功能。为了提高在嘈杂电源环境中的性能，UCC27201A-Q1能够承受其HS引脚上的最大-18 V电压。片内自举二极管消除了外部分立二极管。如果驱动电压低于规定阈值，高压侧和低压侧驱动器都提供欠压锁定，强制输出为低。
UCC27201A-Q1具有TTL兼容阈值，采用10引脚VSON和带热垫的8引脚SOIC。