本應用簡報概述了電勵同步電機 (EESM)、汽車電氣化中當前趨勢的電機，并為德州儀器 (TI) 的勵磁電路提供了系統(tǒng)建議。

簡介

當今汽車行業(yè)最常用的機器之一是永磁同步電機 (PMSM)，因為它具有高效率和高功率密度，其次是交流感應電機，主要用作前驅(qū)動機器。當前趨勢是推動 OEM 更多地轉(zhuǎn)向 EESM。其中一個主要原因是稀土材料的減少，這減輕了環(huán)境問題，并且也降低了供應風險和成本不可預測性。

電勵同步電機工作原理

EESM 和 PMSM 采用相同的同步旋轉(zhuǎn)原理，其中定子的旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子的磁場以相同的速度旋轉(zhuǎn)。

與 PMSM 一樣，定子旋轉(zhuǎn)磁場由定子繞組中的三相交流電流生成。另一方面，EESM 不是安裝永磁體，而是將場繞組安裝在轉(zhuǎn)子上。提供直流電流以通過滑環(huán)和電刷勵磁繞組，或通過無刷勵磁電路來勵磁繞組。施加電流后，這些繞組的行為就像電磁體，并且轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生固定磁場。

通過這兩個磁場間的磁鎖定來實現(xiàn)同步。對齊這些磁場時，會產(chǎn)生電磁扭矩，扭矩會嘗試減少它們之間的角度位移。轉(zhuǎn)子會加速或減速，直到兩個磁場以相同的速度旋轉(zhuǎn)。

圖 1 電勵同步電機

電勵式同步機器的優(yōu)勢

EESM 的主要驅(qū)動因素之一是減少對于稀土材料的依賴。通過消除永久磁鐵，EESM 避免使用稀土元素，從而提高供應安全性和可持續(xù)性。

與 PMSM 不同，EESM 通過調(diào)節(jié)勵磁電流來實現(xiàn)簡單的轉(zhuǎn)子磁通控制。因此，這種類型的機器能夠?qū)崿F(xiàn)更簡單的弱磁控制，從而確保在較高的運行速度下實現(xiàn)幾乎恒定的功率范圍和更高效率。

另一個關鍵優(yōu)勢是，在故障條件下，這種類型的機器不會引入明顯的反電動勢（反 EMF）。發(fā)生故障時，需要零場電流，這個零電流也使轉(zhuǎn)子磁通為零。這樣，與 PMSM 相比，安全狀態(tài)變得更容易實現(xiàn)。但是，需要額外的電路和軟件控制來控制勵磁電流。

勵磁電路的系統(tǒng)設計

除了標準逆變器拓撲之外，EESM 的運行還需要額外的勵磁電路。該電路用于提供和控制轉(zhuǎn)子磁場電流并且確保安全可靠地運行。由于它直接影響機器的運行，因此它需要符合 ISO28282 的 ASIL 等級。

圖 2 顯示了導電 EESM 的勵磁電路示例，其中電刷與將直流電流輸送到場繞組的滑環(huán)進行物理接觸。

它包含兩個電源開關和兩個二極管，連接在 HV+ 和 HV- 之間。當兩個開關都導通時，會向轉(zhuǎn)子繞組施加完整的直流鏈路電壓。如果只有一個開關導通，電流會緩慢降低，而當兩個開關都斷開時，電流會通過續(xù)流二極管降低。

這些開關的典型最大電流不會超過 50A?？刂菩盘栍筛綦x式柵極驅(qū)動器提供，該驅(qū)動器由隔離式輔助電源供電。此外，閉合控制環(huán)路需要一個或兩個電流傳感器，因為該電流與磁場成正比，直接影響機器的行為。

圖 2 額外勵磁電路

器件的選擇至關重要，因為它對機器的性能、可靠性和效率有直接影響。該系統(tǒng)依賴于快速開關、穩(wěn)定偏置以及精確的電流反饋。

圖 3 展示了建議的系統(tǒng)設計，其中所選器件可促成緊湊的實現(xiàn)和高精度控制。

圖 3 勵磁電路的系統(tǒng)建議

UCC218200-Q1 是一款標準的隔離式保護驅(qū)動器，無需 SPI 通信即可運行，同時仍提供集成的高級特性來增強功能安全性。該驅(qū)動器具有 DESAT 保護、輸出電壓柵極監(jiān)控比較器及上電期間的內(nèi)置自檢 (BIST) 診斷功能。

為了進一步減小整體設計尺寸，TI 提供了 UCC5881-Q1，這是一款可編程的功能安全合規(guī)型隔離式柵極驅(qū)動器。除了上述功能外，該柵極驅(qū)動器還提供了更多功能，例如有源米勒鉗位、2 個用于次級側(cè)檢測的 ADC 通道以及可調(diào)柵極驅(qū)動強度，使設計更加緊湊和高效。

柵極驅(qū)動器可通過不同的隔離式輔助電源拓撲供電。根據(jù)不同的拓撲，隔離式輔助電源可以直接連接到 LV 電池，也可以使用直流/直流轉(zhuǎn)換器通過前置穩(wěn)壓器連接到 LV 或/和 HV 電池。UCC25800-Q1 是一款超低 EMI 變壓器驅(qū)動器，用于具有高達 1.2MHz 開關頻率的開環(huán) LLC 拓撲。另一種常用的拓撲是推挽式拓撲，其中 TI 提供 SN6501-Q1 和 SN6507-Q1 器件，具有 3V 至 36V 的寬輸入電壓范圍。LM5181-Q1 反激式轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)更寬輸入范圍（4.5V 至 65V）。借助寬輸入電壓，可以移除前置穩(wěn)壓器。為了將來減小系統(tǒng)尺寸和重量，同時簡化 PCB 布線，可以使用具有集成變壓器的隔離式直流/直流模塊。UCC34141-Q1 和 UCC35131-Q1 器件可提供高達 1.5W 和 2W 的輸出功率。

除了柵極驅(qū)動器和輔助電源，電流檢測也發(fā)揮著重要作用，因為其精度和可靠性會直接影響磁通控制。第一種方法是使用基于分流器的電流檢測，這是我們?nèi)碌?AMC3302-Q1 隔離式放大器。此器件具有 ±50mV 的輸入電壓范圍，并具有集成式直流/直流轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)單電源運行。除了放大器之外，TI 還提供電隔離霍爾效應傳感器。TMCS1123-Q1 具有 250kHz 帶寬，能夠測量高達 80A 的最大持續(xù)電流，同時集成了過流檢測功能和環(huán)境磁場抑制功能。

除了導電 EESM 外，如上圖所示，還有用于 EESM 的電感式勵磁電路，其中使用磁（電感）耦合傳輸勵磁。此類設計的好處是雖然增加了系統(tǒng)成本，但維護成本更低。

結(jié)語

EESM 正在成為汽車行業(yè)的一項關鍵技術，通過直接磁通控制來提升高速效率并提供靈活性。如果發(fā)生故障，切斷勵磁電流可消除高反 EMF 電壓或不受控制的旋轉(zhuǎn)風險。盡管需要額外的勵磁回路，但這些機器不依賴于稀土材料，從而降低了供應風險和機器成本。EESM 借助用高度集成的高性能器件正確設計的勵磁電路，為下一代電動汽車提供具有成本效益的設計。

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