采用 GaN ePower IC 的动力转向

在现代汽车中，增加的重量和更宽的前轮胎使得无辅助转向变得不切实际，因为对操作员的阻力增加了；因此，几年前，采用了动力转向系统。起初，对驾驶员的辅助是通过液压系统完成的，并使用始终运行的泵为回路中使用的液体提供必要的压力。然而，政府减少排放的呼吁要求汽车制造商转向电动助力转向系统 (EPS)。

借助 EPS，液压系统被替换为仅在需要时辅助驾驶员的电动机。它的数字辅助控制可以在线修改以适应驾驶条件。然而，有几个设计限制需要考虑。一是驾驶员不想缺少来自轮胎的触觉反馈，尤其是当车辆较大时，例如卡车。其他限制由安全法规确定，特别是对于自动导引车。这些限制要求采用高效、准确和冗余的系统。氮化镓技术可以帮助所有这些领域的设计师。

EPS 减少了能源消耗，因为它仅在驾驶员启动方向盘时提供帮助。EPS 的一个缺点是模仿“传统”液压助力转向的触感面临挑战。EPS 的工作原理很简单：转向柱上有传感器检测转向角和扭矩，电子控制单元 (ECU) 分析信号并确定所需的助力量，以及安装在转向柱上的电动机或根据 ECU 的指令启动辅助力的齿条。根据执行机构的不同，有几种类型的 EPS 广泛用于量产汽车。在这篇文章中，我们将看看其中的一些。

柱式 EPS（图 1）广泛用于小型经济型车辆。在柱式 EPS 中，电机安装在转向柱上并直接驱动转向轴。其优点是施工简单，造价低。由于电机位于仪表板内部，因此不会受到水和极端温度的影响；因此，可以进一步降低生产成本。电机安装在转向轴的顶部，增加了惯性和摩擦力，但消除了驾驶员的触觉反馈。

平行轴 EPS（图 2）的电机安装在轮胎之间的齿条中。施工方法决定了成本和驾驶员在驾驶时的“感觉”。平行轴 EPS 更昂贵，但也更准确，并已被提供自动驾驶辅助的汽车采用。

扭矩和位置传感器位于方向盘和齿条中。电机通过皮带和循环球齿轮箱直接连接到齿条，齿轮箱提供 4:1 的转换比。出于安全原因，还根据车辆尺寸，电机绕组和逆变器是冗余的，即使在部分系统出现故障的情况下也能提供帮助。由于该系统用于自动驾驶系统，因此电机控制精度至关重要。

线控转向系统（图3）可以取消转向柱以及方向盘和转向器之间的机械连接。车辆方向盘上的传感器会感测每个旋转运动。与平行轴 EPS 一样，齿条转向器上的电动机产生传递到横拉杆的力。方向盘上的另一个电动机产生驾驶员熟悉的传统转向系统的触觉反馈。该转向系统可以通过电子方式进行调整以适应驾驶员的偏好。它已成为大型车辆必不可少的，例如农业机械和卡车。

控制连接到 EPS 中机架的电机的电子部件包括至少两个提供冗余的逆变器。电机有三相、六相或九相，具体取决于车辆，每三相有一个逆变器。在单个三相电动机的情况下，至少有两个逆变器。在的系统中，电机在没有传感器的情况下使用传统的磁场定向控制 (FOC) 技术进行控制。在驾驶辅助系统中，需要在零速下进行的扭矩控制，这是通过高频注入 (HFI) 算法获得的。一个逆变器的框图如图 4 所示。

如图 4 所示，在方向盘上使用了一个没有冗余的类似系统，用于线控转向就绪系统中的触觉反馈。

在所有这些情况下，GaN 技术有助于提高效率、减小尺寸并确保优于传统硅器件的高控制精度，从而提供改进的性能和更安全的驾驶体验。

GaN 器件是功率转换领域的创新。基于 GaN 的逆变器的优势和技术优势在电机驱动应用中越来越明显。1与对应的硅 MOSFET 相比，GaN FET 的开关速度更快，同时浪费的开关能量更少。此外，GaN FET 每平方毫米面积的导通电阻较低，这有助于缩小芯片尺寸并提高转换器的功率密度。

与分立等效电路相比，使用 GaN 单片集成电路 (IC) 进行电源转换具有更多优势。由于栅极驱动器和功率器件集成在同一芯片上，因此基本上消除了栅极环路电感。功率器件之间的短路径还降低了高侧器件的共源电感。此外，得益于芯片级封装，电源环路电感被降至。由于不需要外部栅极驱动器，电路的整体尺寸减小了。使用 LGA 和 QFN 封装简化了器件与散热器的连接，增强了从结点到环境温度的热阻。

近，EPC 推出了其ePower级 EPC23102, 2，它结合了前面描述的所有功能。EPC23102 的额定总线电压为 100 V，可以在 1 MHz 的开关频率下向负载提供 35 A 的连续电流；集成功率 FET 的典型导通电阻为 6.6 mΩ。外部 5V 电源偏置内部电路，输入逻辑与 3.3V 和 5V CMOS 技术兼容。外部电阻器调整开关转换，因此设计人员可以在上升和下降时间以及过压尖峰和振铃之间定义折衷。内部电路包括用于高侧设备电源的电平转换和同步自举。EPC23102的框图如图5所示。

在电机驱动应用中，GaN 逆变器可以以数百千赫兹的频率进行开关操作，并将死区时间缩短至数十纳秒。设计人员可以通过权衡 EMI、功耗和绕组绝缘要求来选择应用于电机绕组的转换电压斜率 (dV/dt)。这些应用中通常使用 5 V/ns 的斜率。增加脉宽调制 (PWM) 频率和减少死区时间可以减少输入滤波器并仅使用陶瓷电容器。它还可以提高电机效率3因为施加电压的较低总谐波失真会产生谐波较少的施加扭矩。扭矩中的谐波会导致不希望的振动，这只会导致机械损失。PWM 频率增加的另一个重要影响如图 6 所示，其中相同的电机在 100 kHz 接近饱和的高温下运行时，显示出比在 20 kHz 下控制时更好的电流控制和更少的纹波。

将 PWM 频率提高到 100 kHz 的能力也有利于 HFI 算法在零速和极低速下实现的电机控制。在这些条件下，基于间接反电动势感应的传统无传感器 FOC 算法不起作用。它们需要用调制信号的 HFI（在几千赫兹的范围内）进行升级，以确定转子磁铁的位置。转子位置检测的精度取决于 PWM 频率与注入频率之间的比率。比率越高，位置检测的精度越高，因此电机控制的精度越高。

基于 IC 的电机驱动应用允许使用更小的电路板和更简单的设计。EPC 发布了两款使用 IC 的电机驱动逆变器参考设计板。

EPC9173 4是一款 1.5 kW 电机驱动板，包含六个 EPC23101 IC。PQFN 出色的热性能使逆变器能够在没有散热器的情况下为电机提供 20A RMS电流，在有散热器的情况下为电机提供25A RMS电流，从而将裸片相对于环境的温升保持在 50?C 以下开关频率高达 100 kHz。

EPC9176 5是一款 400-W 电机驱动逆变器，使用三个 EPC23102 IC，具有 14-65 V 的宽输入电压范围。它可以在没有散热器的情况下为电机提供 15-A RMS电流，在有散热器的情况下为电机提供20-A RMS电流，对于高达 100 kHz 的开关频率，自然对流冷却可使芯片相对于环境的温升保持在 60?C 以下。

EPC9173 和其他等效电机驱动参考设计（例如 EPC9167HC）可用作开发和测试齿轮箱电机 GaN 技术的起点。EPC9176 可用于农业机械和卡车方向盘中的触觉反馈电机。所有 EPC 电机参考设计都带有从电源板到运动控制器的标准连接器，因此设计人员可以使用他们喜欢的控制器，而无需在初始开发阶段设计电源板。EPC9173 参考设计板和开关单元的放大细节如图 7 所示。

电机逆变器板具有用于电流测量、相电压检测、直流母线电压检测的分流电阻器、用于传感器控制和保护电路（如过流保护和欠压锁定）的霍尔/编码器接口。

与基于硅 MOSFET 的逆变器相比，GaN 器件在电机驱动应用中具有多项优势，其开关频率通常因开关损耗而限制在 40 kHz，死区时间通常在 200–500 ns 的范围内。基于 GaN 的逆变器以数百千赫兹的频率运行，死区时间为数十纳秒，消除了扭矩中的谐波，减少了振动并提高了电机效率。当 HFI 算法与无传感器 FOC 结合使用时，更高的 PWM 频率可以在低速下实现更的电机控制。