德州仪器 (TI) 解读 针对电励同步电机优化励磁功率级

本应用简报概述了电励同步电机 (EESM)、汽车电气化 中当前趋势的电机，并为德州仪器 (TI) 的励磁电路提 供了系统建议。

简介

当今汽车行业最常用的机器之一是永磁同步电机 (PMSM)，因为它具有高效率和高功率密度，其次是交 流感应电机，主要用作前驱动机器。当前趋势是推动 OEM 更多地转向 EESM。其中一个主要原因是稀土材 料的减少，这减轻了环境问题，并且也降低了供应风险 和成本不可预测性。

电励同步电机工作原理

EESM 和 PMSM 采用相同的同步旋转原理，其中定子 的旋转磁场和转子的磁场以相同的速度旋转。

与 PMSM 一样，定子旋转磁场由定子绕组中的三相交 流电流生成。另一方面，EESM 不是安装永磁体，而 是将场绕组安装在转子上。提供直流电流以通过滑环和 电刷励磁绕组，或通过无刷励磁电路来励磁绕组。施加 电流后，这些绕组的行为就像电磁体，并且转子会产生 固定磁场。

通过这两个磁场间的磁锁定来实现同步。对齐这些磁场 时，会产生电磁扭矩，扭矩会尝试减少它们之间的角度 位移。转子会加速或减速，直到两个磁场以相同的速度旋转。

电励式同步机器的优势

EESM 的主要驱动因素之一是减少对于稀土材料的依 赖。通过消除永久磁铁，EESM 避免使用稀土元素， 从而提高供应安全性和可持续性。

与 PMSM 不同，EESM 通过调节励磁电流来实现简单 的转子磁通控制。因此，这种类型的机器能够实现更简 单的弱磁控制，从而确保在较高的运行速度下实现几乎 恒定的功率范围和更高效率。

另一个关键优势是，在故障条件下，这种类型的机器不 会引入明显的反电动势（反 EMF）。发生故障时，需 要零场电流，这个零电流也使转子磁通为零。这样，与 PMSM 相比，安全状态变得更容易实现。但是，需要 额外的电路和软件控制来控制励磁电流。

励磁电路的系统设计

除了标准逆变器拓扑之外，EESM 的运行还需要额外 的励磁电路。该电路用于提供和控制转子磁场电流并且 确保安全可靠地运行。由于它直接影响机器的运行，因 此它需要符合 ISO28282 的 ASIL 等级。

图 2 显示了导电 EESM 的励磁电路示例，其中电刷与 将直流电流输送到场绕组的滑环进行物理接触。

它包含两个电源开关和两个二极管，连接在 HV+ 和 HV- 之间。当两个开关都导通时，会向转子绕组施加完 整的直流链路电压。如果只有一个开关导通，电流会缓 慢降低，而当两个开关都断开时，电流会通过续流二极 管降低。

这些开关的典型最大电流不会超过 50A。控制信号由 隔离式栅极驱动器提供，该驱动器由隔离式辅助电源供 电。此外，闭合控制环路需要一个或两个电流传感器， 因为该电流与磁场成正比，直接影响机器的行为。

器件的选择至关重要，因为它对机器的性能、可靠性和 效率有直接影响。该系统依赖于快速开关、稳定偏置以 及精确的电流反馈。

图 3 展示了建议的系统设计，其中所选器件可促成紧 凑的实现和高精度控制。

UCC218200-Q1 是一款标准的隔离式保护驱动器，无 需 SPI 通信即可运行，同时仍提供集成的高级特性来 增强功能安全性。该驱动器具有 DESAT 保护、输出电 压栅极监控比较器及上电期间的内置自检 (BIST) 诊断 功能。

为了进一步减小整体设计尺寸，TI 提供了 UCC5881- Q1，这是一款可编程的功能安全合规型隔离式栅极驱 动器。除了上述功能外，该栅极驱动器还提供了更多功能，例如有源米勒钳位、2 个用于次级侧检测的 ADC 通道以及可调栅极驱动强度，使设计更加紧凑和高效。

栅极驱动器可通过不同的隔离式辅助电源拓扑供电。根 据不同的拓扑，隔离式辅助电源可以直接连接到 LV 电 池，也可以使用直流/直流转换器通过前置稳压器连接 到 LV 或/和 HV 电池。UCC25800-Q1 是一款超低 EMI 变压器驱动器，用于具有高达 1.2MHz 开关频率的开环 LLC 拓扑。另一种常用的拓扑是推挽式拓扑，其中 TI 提供 SN6501-Q1 和 SN6507-Q1 器件，具有 3V 至 36V 的宽输入电压范围。LM5181-Q1 反激式转换器可 实现更宽输入范围（4.5V 至 65V）。借助宽输入电 压，可以移除前置稳压器。为了将来减小系统尺寸和重 量，同时简化 PCB 布线，可以使用具有集成变压器的 隔离式直流/直流模块。UCC34141-Q1 和 UCC35131- Q1 器件可提供高达 1.5W 和 2W 的输出功率。

除了栅极驱动器和辅助电源，电流检测也发挥着重要作 用，因为其精度和可靠性会直接影响磁通控制。第一种 方法是使用基于分流器的电流检测，这是我们全新的 AMC3302-Q1 隔离式放大器。此器件具有 ±50mV 的 输入电压范围，并具有集成式直流/直流转换器，可实 现单电源运行。除了放大器之外，TI 还提供电隔离霍 尔效应传感器。TMCS1123-Q1 具有 250kHz 带宽，能 够测量高达 80A 的最大持续电流，同时集成了过流检 测功能和环境磁场抑制功能。

除了导电 EESM 外，如上图所示，还有用于 EESM 的 电感式励磁电路，其中使用磁（电感）耦合传输励磁。 此类设计的好处是虽然增加了系统成本，但维护成本更低。

结语

EESM 正在成为汽车行业的一项关键技术，通过直接 磁通控制来提升高速效率并提供灵活性。如果发生故 障，切断励磁电流可消除高反 EMF 电压或不受控制的 旋转风险。尽管需要额外的励磁回路，但这些机器不依 赖于稀土材料，从而降低了供应风险和机器成本。 EESM 借助用高度集成的高性能器件正确设计的励磁 电路，为下一代电动汽车提供具有成本效益的设计。