車載電機驅動的技術趨勢

1 前言
     近年來，環境問題日趨嚴峻。在這種背景下，汽車的 油耗法規要求越來越嚴苛，以怠速停止車輛為首，混合動力 汽車、電動汽車的開發進程加速，并開始普及。與此同時， 傳統的油壓控制（引擎動力）機構開始被電機控制機構取 代。同時，由于車輛的輕量化、零部件的小型化要求日益高 漲，對于電機的需求也發生了變化，從以往的DC電機轉變 為壽命長、可高效驅動的無刷電機。不僅如此，隨著這些新 型車輛的靜音性能提高，對行駛時以及停車時的車內空間的 靜音性、舒適性的要求也越來越高。
為了滿足這些要求，需要如下電機驅動技術。
①   實現靜音化的正弦波驅動技術；
②   實現高效化的進角控制技術；
③   實現電機優化及小型化的無傳感器技術。
在此，我介紹一下搭載了這些技術的產品用例。

圖1 應用電路圖
2 正弦波驅動技術
車載三相無刷預驅動IC“BD16805”（參考圖1應用電 路圖）已在日本的混合動力汽車的的電池冷卻風扇和空調鼓 風機風扇的電機中被廣泛采用。作為車載領域用的產品，該 產品采用了業界首創的線性正弦波驅動(180°通電)，實現 了電機的靜音化；同時，還內置進角控制電路，非常有助于 汽車的高效化與低功耗化。
耐壓為最適合車載領域的60V， 輸出端內置充電泵電
路，可以驅動NMOS組成的橋電路。另外，在速度控制方 面，既支持PWM輸入，又支持DC輸入。
傳統上，空調鼓風機電機多采用DC電機和120°驅動 的無刷電機。但是，這些電機存在打火噪音以及因電流急劇 變化時的轉矩變化導致的振動和旋轉不平衡而產生的噪音問 題。使這種電機的線圈電流接近正弦波驅動，可實現電機的 靜音化和低振動化（參考圖2）。另外，使磁鐵不要磁飽和
（ 梯形齒著磁） 而進行接近正 弦波的著磁， 也是電機機械設 計過程中的注意要點。　

3 進角控制技術
為了更高效地驅動電機， 保持產生最大轉矩的位置來創建 旋轉磁場是非常重要的，也就是 說， 要在磁鐵的磁場和線圈電 流產生的磁場垂直的位置進行驅 動。因此，需要配合感應電壓的 相位和線圈電流的相位。

圖2   120°通電與180°通電驅動電流波形的區別

圖3   進角度控制原理  

圖4   輸出電流比較
隨著轉速增加，受電感影響，線圈電流的相位滯后于 感應電壓（參考圖3右圖）。因此，即使在相同時間流過電 流，也會存在所產生的轉矩降低、效率下降問題。
要防止這種效率下降，需要進角控制技術，即如圖3左 圖所示，相對于感應電壓，驅動電壓需要在相位上提前導 通。通過進角控制，使線圈電流配合電機的感應電壓相位， 在最佳的相位高效率地產生所需的轉矩。這樣，U、V、W 相的合成轉矩再加上正弦波驅動可變得平穩。利用這些技 術，可避免轉矩變動，并實現靜音化、低振動化。另外，此 車載三相無刷預驅動IC“BD16805”從啟動時即可進行正弦 波驅動，因此，無論在ON－OFF反復較多的電機應用中， 還是在振動較大的啟動時，均可實現靜音化。
在圖4中，比較了有無進角控制的電機的轉速與輸出電 流。由圖中可知，尤其在高速旋轉時，輸出電流降低30%以上， 實現了高效驅動。 該進角控制的調整通過
VDEG引腳進行。通過調整VREG引腳的施加電壓
（0V-2.5V之間），可在0-30°的范圍內設定進角角 度。將電機設定為額定轉速，在穩定旋轉過程中， 電機電流減少，通過VREG引腳電壓決定效率良好 的進角角度。4 無傳感器技術
如果是普通的風扇，內置霍爾元件的電機驅動 器是最佳選擇，但希望具備更高的可靠性和在高溫 下工作時，或電機結構上存在問題時，有些電機更 適合無傳感器驅動。油泵和水泵就是這類情況。由 于轉子即磁鐵存在于水和油的流路中，因此很難捕 捉磁鐵的磁場。
ROHM面向這類車載泵領域，開發出無傳感器
方式150°驅動的電機驅動器。該IC中內置了進角 控制功能。另外，考慮到安全性，還配置了各種保 護功能（過電壓、過電流、加熱、堵轉保護）。
在無傳感器技術中， 啟動的可靠性是非常重 要的。因此，該IC首先在啟動時判斷電機狀態（停 止、正向空轉、反向空轉），進行使電機停動的驅 動對應。 然后， 通過同步驅動的強制相位超前， 在啟動時8次檢測反電動勢后，轉換為120°通電硬 開關驅動模式，進而392次檢測反電動勢后，變為
150°通電模式。另外，還可根據電機，設定啟動 時的相位超前驅動周期和軟起動的時間。
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5 結語
汽車的電動化和高性能化發展迅速，預計所使用的電 機數量也將持續增加。　
ROHM以“ROHM讓所有的電機轉起來！”為口號，
產品開發重心從以往的消費電子領域向家電、工業設備、車 載領域轉移。ROHM的產品不僅具有此次介紹的“正弦波驅 動”、“進角控制”、“無傳感器驅動”技術優勢，還擁有 融入“高耐壓”、“大電流”技術優勢的SiC和IPM產品。 ROHM將繼續為低功耗的汽車制造貢獻力量。