通過精心設(shè)計(jì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV) 和電動(dòng)汽車 (EV) 的牽引逆變器，可以幫助實(shí)現(xiàn)更快的電機(jī)速度、更高的效率和更小的系統(tǒng)尺寸，同時(shí)仍保持功率密度不變。新技術(shù)讓汽車制造商能夠打造續(xù)航里程更遠(yuǎn)、性能更出色的未來汽車。

探索電動(dòng)汽車牽引逆變器設(shè)計(jì)趨勢

牽引逆變器負(fù)責(zé)將電池能量轉(zhuǎn)換為控制扭矩和速度所需的功率，因此是影響電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程、性能和駕駛體驗(yàn)的最大因素。扭矩與電機(jī)尺寸成比例，而功率提供扭矩和速度。在保持功率恒定的情況下，如果想要縮小電機(jī)尺寸和扭矩，則需要增加速度。這是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵叽缤ǔｋS著功率水平和扭矩增加而增加，尤其是存在因機(jī)械或電氣非理想因素而造成損耗等設(shè)計(jì)效率低下問題時(shí)。因此，不僅要縮小電機(jī)的尺寸，還要縮小牽引逆變器本身的電氣系統(tǒng)尺寸，這一點(diǎn)變得很重要。

為了延長續(xù)航里程、縮小電機(jī)尺寸并降低重量，但又不能降低功率水平，牽引電機(jī)需要能夠以更高的速度 (>30,000rpm) 轉(zhuǎn)動(dòng)。這需要快速感測和處理能力，以及高效的直流到交流電壓轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，牽引逆變器設(shè)計(jì)趨勢包括使用高級控制算法、采用 SiC MOSFET 作為功率級中的開關(guān)晶體管、使用 800V 高壓電池，以及集成多個(gè)子系統(tǒng)來獲得高功率密度。

利用快速電流感測反饋環(huán)路和高速控制器提高效率

若要提升電動(dòng)汽車的駕駛體驗(yàn)，包括平穩(wěn)的巡航控制、敏捷的加速和減速，以及更安靜的車內(nèi)體驗(yàn)，一種方式是提高電流感測反饋環(huán)路的整體精度和可靠性。該控制環(huán)路是感測電流從牽引逆變器各相流回隔離式精密放大器并流過微控制器 (MCU) 以進(jìn)行處理的路徑。此路徑最終會讓信號返回到牽引逆變器的控制輸出。通過優(yōu)化電機(jī)控制環(huán)路可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的反饋，這樣一來，電機(jī)便可以快速響應(yīng)速度或扭矩變化。圖 1 中高亮顯示的部分展示了電機(jī)控制環(huán)路。

圖1 牽引逆變器方框圖，其中以黃色高亮顯示了電機(jī)控制環(huán)路和功率級

如圖 2 中所述，牽引逆變器中的電源和控制電流之間通常由隔離式半導(dǎo)體元件隔離。三個(gè)隔離式放大器或調(diào)制器通過分流電阻器測量電機(jī)電流，然后將信號饋入 MCU 的場定向控制 (FOC) 算法。若要提升電機(jī)速度，就需要更高帶寬的電流感測反饋環(huán)路，這就意味著同相電流必須盡快生 成經(jīng)修改的逆變器輸出。電流感測反饋環(huán)路的延遲是一項(xiàng)首要考慮因素，尤其是因?yàn)楣β示w管開關(guān)頻率（圖 1 中的絕緣柵雙極晶體管 [IGBT]/SiC MOSFET）增加到數(shù)十千赫茲，并且控制信號必須逐周期改變脈沖寬度，以實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)速。大電流產(chǎn)生的噪聲還會影響環(huán)路可靠性。

圖2 牽引逆變器中的電流感測反饋環(huán)路

如果隔離式放大器就在噪聲源附近，則這些放大器應(yīng)能夠可靠地工作，并且電源和控制電流之間的噪聲干擾應(yīng)極小，這一點(diǎn)非常重要。這就是為什么電流感測環(huán)路中必須使用可在電源接地和信號接地之間提供高瞬態(tài)噪聲抗擾度的電隔離式放大器。通過合理地選擇元件，高精度電流感測環(huán)路可以限制三個(gè)電流相位的諧波失真，從而在加速和剎車期間實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的電機(jī)速度和扭矩控制。在駕駛期間，電流感測環(huán)路的精度還有助于防止電損耗并最大限度地減少振動(dòng)。AMC1300B-Q1 和 AMC1311B-Q1 等隔離式放大器與 AMC1306M25 和 AMC1336 等隔離式調(diào)制器支持在 200kHz 帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確的電流和電壓測量，并提供不到 2μs 的延遲和共模瞬態(tài)抗擾度超過 100kV/μs 的電隔離。

MCU 必須通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 轉(zhuǎn)換給定的三相電流測量值來快速地將測量值數(shù)字化，然后饋入主算法來為牽引逆變器的輸出生成脈寬調(diào)制 (PWM)。電機(jī)控制設(shè)計(jì)中通常采用的 FOC 算法需要使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，例如快速傅里葉變換 (FFT) 和三角運(yùn)算。這就導(dǎo)致了對高處理帶寬的需 求，尤其是對于 20kHz 及以上的開關(guān)頻率而言。

務(wù)必要分配 MCU 的功率負(fù)載，以便它可以處理牽引逆變器的電機(jī)控制和安全功能。高速 FOC 實(shí)現(xiàn)帶來了更多的余量，讓 MCU 中的電源和處理能力能夠處理電機(jī)控制和功能安全特性。C2000? TMS320F28377D、TMS320F28386D、TMS320F280039C 和 Sitara? AM2634-Q1 等實(shí)時(shí) MCU 可以有效地提供快速控制環(huán)路性能，并借助 >3MSPS ADC 來感測和處理多個(gè)優(yōu)化內(nèi)核的功率，從而快速執(zhí)行復(fù)雜的控制數(shù)學(xué)運(yùn)算。緊密集成的高分辨率驅(qū)動(dòng) PWM 有助于生成精確的占空比，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的電機(jī)控制。針對牽引逆變器進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，ADC 輸入、FOC 算法執(zhí)行和 PWM 寫入三級相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了不到 4μs 的控制環(huán)路延遲。

柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源如何助力不斷延長的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程

由 MCU 和電流感測環(huán)路生成的控制信號會饋入功率級，而功率級是電池和電機(jī)之間的紐帶。功率級包括一個(gè)高壓直流總線，該總線通過一個(gè)與 IGBT 或 SiC MOSFET 等功率晶體管的三個(gè)相位相連的大電容器組去耦。功率級應(yīng)該在將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流時(shí)具有極小的功率損耗，并且尺寸較小，以便高效地使用電池，進(jìn)而延長汽車的續(xù)航里程。然而，這是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡妷汉凸β试礁?，元件的尺寸自然就越大。幸運(yùn)的是，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷突破，以相同元件尺寸提供更高的功率水平成為可能。

影響牽引逆變器尺寸的因素有以下兩個(gè)：高電壓晶體管的類型，以及電池的電壓電平。與具有相同額定電壓的 IGBT 相比，SiC MOSFET 具有更低的開關(guān)損耗和更小的裸片尺寸，因此一些工程師會在牽引逆變器設(shè)計(jì)中采用 SiC MOSFET。當(dāng) SiC 晶體管受到妥善控制時(shí)，在逆變器的所有工作條件（例如溫度、速度和扭矩）下，它們的損耗更低，可靠性更高，因此能夠延長行駛里程。

雖然 SiC MOSFET 更高效，但是就像任何其他晶體管一樣，它們在開關(guān)時(shí)會產(chǎn)生一些功率損耗，而這些功率損耗會影響牽引逆變器的效率。在開關(guān)瞬變期間，電壓和電流邊沿會重疊并產(chǎn)生功率損耗，如圖 3 所示。高柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電流可以對 SiC FET 柵極進(jìn)行快速充放電，從而實(shí)現(xiàn)較低的功率損耗。然而，開關(guān)行為會在溫度、電流和電壓范圍內(nèi)發(fā)生變化，因此以盡可能快的速度進(jìn)行開關(guān)并非盡如人意。SiC FET 上電壓的快速轉(zhuǎn)換（稱為漏源電壓 (V_DS) 的瞬態(tài)電壓 (dv/dt)）會以傳導(dǎo)接地電流形式產(chǎn)生電壓過沖和電磁干擾 (EMI)。鑒于繞組間的電容可能發(fā)生短路，電機(jī)本身會受到高 dv/dt 的影響。柵極驅(qū)動(dòng)器電路可以控制功率損耗和開關(guān)瞬態(tài)。

圖3 V_DS和 I_D重疊導(dǎo)致的 MOSFET 導(dǎo)通充電曲線以及對應(yīng)的開關(guān)損耗

通過使用柵極電阻來控制柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出拉電流和灌電流，有助于優(yōu)化 dv/dt 和功率損耗之間的權(quán)衡。圖 4 展示了一種柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，該實(shí)現(xiàn)具有可調(diào)輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度來針對溫度和電流范圍內(nèi)的 SiC MOSFET 壓擺率變化進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 采用 UCC5870-Q1 且由 UCC14240-Q1 供電的可調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電路方框圖

可調(diào)節(jié)功能對牽引逆變器性能有利，因?yàn)樗軌驅(qū)崿F(xiàn)更低的 EMI 和更低的損耗，進(jìn)而提高效率來幫助延長行駛里程。TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 柵極驅(qū)動(dòng)器具有 30A 驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，因此可以非常方便地基于更改和優(yōu)化柵極電阻來實(shí)現(xiàn)可調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)解決方案。此外，它們具有電隔離和 100kV/μs CMTI，因此可以在采用快速開關(guān) SiC 技術(shù)的高壓應(yīng)用中輕松地使用。

電池的電壓電平也會影響系統(tǒng)中存在的 dv/dt 大小，當(dāng)設(shè)計(jì)人員需要最大限度地降低 EMI，并且所選元件需要滿足各項(xiàng)隔離安全標(biāo)準(zhǔn)并保持相同的功率密度和面積時(shí)，這也會帶來挑戰(zhàn)。SiC MOSFET 以較小的裸片尺寸支持超過 1,200V 的高擊穿電壓，這可以為 800V 電動(dòng)汽車電池應(yīng)用打造高功率密度解決方案。

當(dāng)電源需要具有隔離能力和良好的調(diào)節(jié)能力時(shí)，支持高電壓 SiC MOSFET 的柵極電壓要求變得非常具有挑戰(zhàn)性。從 SiC MOSFET 的電流電壓特征曲線中可以清楚地看到柵極電壓帶來的影響，如圖 5 所示，其中柵源電壓 (V_GS) 越高會導(dǎo)致線性區(qū)域的曲線斜率越大。曲線斜率較大意味著應(yīng)減小漏源導(dǎo)通電阻 (R_DS(on))，以最大限度地減少導(dǎo)通損耗并避免熱失控。

圖 5. 基于 V_GS 的 SiC MOSFET 電壓和電流特性。

為柵極驅(qū)動(dòng)器提供電源和電壓的隔離式偏置電源應(yīng)當(dāng)在快速瞬變期間保持適當(dāng)?shù)恼龞艠O電壓，并能夠支持負(fù)電壓來保持 SiC FET 安全關(guān)斷。隔離式電源通常采用集成半導(dǎo)體開關(guān)控制器的變壓器來生成。不過，從電氣效率和 EMI 的角度而言，變壓器的復(fù)雜設(shè)計(jì)會直接影響功率級的性能。繞組間電容會導(dǎo)致共模電流增加，而共模電流又會導(dǎo)致產(chǎn)生 EMI，因此該電容越小越好，但需要在尺寸、額定電壓和效率之間進(jìn)行權(quán)衡，因而需要花更多的時(shí)間來設(shè)計(jì)。

借助 UCC14241-Q1 和 UCC1420-Q1 等集成式電源模塊，初級到次級隔離電容可以被很好地控制在 3.5pF 以下，從而使得快速開關(guān) SiC MOSFET 的 CMTI 大于 150V/ns。HEV/EV 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)逐漸朝著進(jìn)一步集成的方向發(fā)展，例如將牽引逆變器與直流/直流轉(zhuǎn)換器結(jié)合使用。與采用反激式轉(zhuǎn)換器的典型偏置電源解決方案相比，UCC14241-Q1 可以讓物料清單 (BOM) 面積縮減約 40%，如圖 6 所示。其高度要比分立式變壓器設(shè)計(jì)低得多，因此重心更低，振動(dòng)耐受度更高。所有這些因素都有助于提高牽引逆變器系統(tǒng)的可靠性和延長使用壽命，同時(shí)能夠提供正確的電壓來高效地驅(qū)動(dòng)功率晶體管。

圖 6. 典型反激式轉(zhuǎn)換器偏置解決方案與 UCC14240-Q1 的 BOM 面積和高度比較。

結(jié)論

電動(dòng)汽車正在推動(dòng)從處理到功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的全面技術(shù)創(chuàng)新。電機(jī)控制和動(dòng)力總成設(shè)計(jì)直接影響電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和駕駛性能。高精度電流傳感器與具有實(shí)時(shí)控制功能的智能 MCU 相結(jié)合，有助于降低延遲并提升電機(jī)控制環(huán)路的精度，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的速度和扭矩轉(zhuǎn)變。由于諧波失真降低，電氣效率和續(xù)航里程得到改善；電機(jī)振動(dòng)也一樣有所改善，從而有助于防止不舒服的駕駛體驗(yàn)。

通過采用 SiC MOSFET 和 800V 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了出色的牽引逆變器功率密度和效率，從而支持集成各種動(dòng)力總成功能，最終使得每次充電后具有更長的行駛里程。TI 廣泛的集成式半導(dǎo)體技術(shù)產(chǎn)品系列讓汽車制造商和一級供應(yīng)商能夠靈活地實(shí)現(xiàn)高性能和低成本。

了解有關(guān)牽引逆變器技術(shù)的更多信息：

? TI.com.cn 上的高壓牽引逆變器登錄頁面。

? 經(jīng)過 ASIL D 等級功能安全認(rèn)證的高速牽引和雙向直流/直流轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)。

? 帶集成變壓器的汽車類 SPI 可編程柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源參考設(shè)計(jì)。

了解適用于牽引逆變器系統(tǒng)的 TI 產(chǎn)品的更多信息：

? C2000 實(shí)時(shí) MCU。

? AM2634-Q1 Arm^? Cortex^?-R5F MCU。

? UCC5870-Q1 高級可編程隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。

? UCC14240-Q1 集成變壓器的直流/直流模塊。

? 德州儀器 (TI)：用于牽引逆變器的 AM263x。

? 德州儀器 (TI)：牽引系統(tǒng)中 AM263x 器件的基準(zhǔn)測試與分析

本文的其他貢獻(xiàn)者包括：

? Han Zhang，系統(tǒng)工程師

? Sean Murphy，產(chǎn)品營銷工程師

? Robert Martinez，系統(tǒng)工程師

? Dongbin Hou，系統(tǒng)工程師

? Francisco Lauzurique，應(yīng)用工程師