具有卓越性能的電動汽車牽引逆變器設(shè)計優(yōu)先事項

摘 要：本技術(shù)白皮書探討了牽引逆變器的主要系統(tǒng)趨勢、架構(gòu)和技術(shù)。此外，還介紹了用于啟用牽引逆變器的器件和技術(shù)，包括隔離、高壓域和低壓域技術(shù)。最后，本文檔重點介紹系統(tǒng)工程概念和設(shè)計，以縮短牽引逆變器的設(shè)計時間。

1 引言

牽引逆變器是電動汽車 (EV) 傳動系統(tǒng)的核心。因此，逆變器在提高全球電動汽車的采用率方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。牽引電機(jī)通過將電池或發(fā)電機(jī)的直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源來提供出色的扭矩和加速度，從而為永磁機(jī)器 (PMSM)、感應(yīng)電機(jī) (IM)、外部勵磁同步電機(jī) (EESM) 和開關(guān)磁阻電機(jī) (SRM) 等牽引驅(qū)動電機(jī)供電。牽引逆變器還轉(zhuǎn)換電機(jī)的回收能量，并在車輛滑行或制動時對電池充電。

在測量牽引逆變器的性能時，需要考慮幾個關(guān)鍵的設(shè)計優(yōu)先事項和權(quán)衡：

 ? 功能安全和信息安全 – 功能安全設(shè)計通常遵循 ISO 26262 或電子安全車輛入侵保護(hù)應(yīng)用流程，其中包括安全診斷；系統(tǒng)級失效模式和影響分析；失效模式、影響和診斷分析以及硬件安全模塊 (HSM)。

 ? 重量和功率密度 – 寬帶隙開關(guān)和動力總成集成是實現(xiàn)高功率密度逆變器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。例如，OEM 的逆變器功率密度目標(biāo)是到 2025 年，在美國市場中達(dá)到 100kW/L。使用 SiC 可實現(xiàn) 800V 直流總線電壓、降低額定 電流和減少線束。具有快速控制環(huán)路的 MCU 支持使用高速、更輕的電機(jī)和動力總成集成，例如與直流/直流轉(zhuǎn)換器集成的逆變器。

 ? 效率 – 系統(tǒng)效率包括牽引逆變器效率、電機(jī)效率和再生制動模式下的逆變器效率。

 ? 性能和可靠性 – 通過電機(jī)扭矩控制、電流檢測環(huán)路和電機(jī)扭矩瞬態(tài)響應(yīng)來測量逆變器系統(tǒng)的性能?？煽啃园娫茨K可靠性、電機(jī)可靠性和隔離等。

 ? 系統(tǒng)成本 – 除了電機(jī)和線束之外，主要元件包括：

 – EMI 濾波器

 – 直流鏈路電容器

 – 匯流條

 – MCU 和控制電子產(chǎn)品

 – 電源模塊和驅(qū)動級電子產(chǎn)品

 – 電流傳感器

 – 逆變器殼體和冷卻

2 架構(gòu)和趨勢

牽引逆變器的架構(gòu)因車輛類型而異。插電式混合動力汽車 (PHEV) 和純電動汽車 (BEV) 具有三相電壓源逆變器拓?fù)?，功率級別在 100kW 至 500kW 范圍內(nèi)。電池包可以直接連接到逆變器直流輸入，也可以使用直流/直流升壓轉(zhuǎn)換器升高電池電壓并為逆變器提供受控直流電壓。

兩級逆變器是電動汽車和業(yè)界常用的電源轉(zhuǎn)換器，其功率范圍為數(shù)十千瓦到數(shù)百千瓦。通常，開關(guān)頻率范圍為 5kHz 至 30kHz，目前，三級逆變器越來越受歡迎，因為該逆變器具有更高的功率容量（超過 300kW）、更高的 效率和更低的諧波失真，并允許使用更小的電磁干擾 (EMI) 濾波器。在許多拓?fù)渲?，中性點鉗位和 T 型中性點鉗位 (TNPC) 是極具競爭力的設(shè)計。圖 2-1 所示為三級 TNPC 逆變器的示例。

圖 2-1. 三級 T 型逆變器

第二個趨勢是雙電機(jī)架構(gòu)。早在 2012 年，特斯拉就推出了 Model S，這是一款后輪驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)型豪華轎車，續(xù)航里程高達(dá) 426km，配備 85kWh 電池包。2014 年，特斯拉發(fā)布了 Model S 四驅(qū)版本，在前后軸上均配有電機(jī)。自那時起，各 OEM（例如 Chevy Volt PHEV、Toyota Prius HEV 和 Cadillac CT6 PHEV）紛紛實施雙逆變器。

改進(jìn)系統(tǒng)集成的第三個趨勢是實現(xiàn)電子軸，將電力電子系統(tǒng)、電機(jī)和變速器組合在緊湊的系統(tǒng)外殼中。電子軸可提高電機(jī)性能，因為此設(shè)計可實現(xiàn)更高的扭矩和最高速度，例如 20k RPM。更好的冷卻和線圈繞組結(jié)構(gòu)可提高功率密度和電機(jī)效率。

牽引逆變器功能的其他趨勢包括：

 ? 提高功率級別和汽車安全完整性等級 (ASIL)（100kW 至 500kW、ASIL C 至 ASIL D）

 ? 隨著開關(guān)瞬態(tài)電壓的增加向 800V 技術(shù)轉(zhuǎn)變

 ? 輕松調(diào)整柵極驅(qū)動強(qiáng)度以減少過沖、優(yōu)化效率并降低 EMI

 ? 采用電感式位置感應(yīng)技術(shù)而不是旋轉(zhuǎn)變壓器來降低成本

 ? 將有源放電集成到柵極驅(qū)動器集成電路 (IC) 中，從而降低成本并節(jié)省空間

3 支持牽引逆變器的關(guān)鍵技術(shù)

牽引逆變器需要隔離技術(shù)、在低壓域上實現(xiàn)的技術(shù)以及在高壓域上實現(xiàn)的技術(shù)。隔離式柵極驅(qū)動器、數(shù)字隔離器、隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器和固態(tài)繼電器中采用的 TI 電容隔離技術(shù)，可在使用二氧化硅作為電介質(zhì)的電容電路中整合增強(qiáng)型信號隔離。圖 3-1 顯示了牽引逆變器系統(tǒng)示例。隔離柵（紅色虛線）將低壓域和高壓域隔開。

圖 3-1. 牽引逆變器系統(tǒng)方框圖

在低壓域中，微控制器 (MCU) 向電源開關(guān)生成脈寬調(diào)制 (PWM) 信號。MCU 在閉環(huán)中運行感應(yīng)和速度控制，并處理主機(jī)功能以滿足強(qiáng)制的硬件和軟件安全以及安全代碼執(zhí)行要求。此外，實施安全電源樹可防止 MCU 和關(guān)鍵電源軌斷電。連接到 12V 汽車電池的電源管理集成電路 (PMIC) 或系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片為 MCU 供電。MCU 與旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)傳感器的模擬前端相連。

高壓域中的主要功能包括：

 ? 電源開關(guān) – 通?；谔蓟?(SiC) 或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的電源模塊，這些模塊由具有保護(hù)和監(jiān)控功能的隔離式柵極驅(qū)動器控制

 ? 隔離式柵極驅(qū)動器 - 允許數(shù)據(jù)和電力在高壓和低壓單元之間傳輸，同時可以防止任何危險的直流電或不受控制的瞬態(tài)電流從高壓域中流出

 ? 偏置電源 – 電隔離電源，從低壓側(cè)獲取輸入并向電源開關(guān)生成柵極驅(qū)動電壓

 ? 隔離式電壓和電流檢測 – 用以檢測直流鏈路電壓和電機(jī)相電流，并確保向電機(jī)施加正確的扭矩

 ? 有源放電 – 將直流總線電容器電壓放電至安全電壓。對于能夠產(chǎn)生反電動勢 (EMF) 的電機(jī)類型，需要進(jìn)行有源放電。聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會第 94 號聯(lián)合國條例要求直流總線電容器電壓在 5 秒內(nèi)降至安全電壓 (60V)。此外，還包含診斷電路，用于對關(guān)鍵功能執(zhí)行自檢，以防止系統(tǒng)失效。

逆變器控制和安全方案也因車輛類型而異。例如，可以使用永磁同步電機(jī) (PMSM)，因為 PMSM 具有高效率、低扭矩紋波和寬速度范圍。PMSM 通常使用空間矢量 PWM 控制，也稱為場定向控制。通過控制定子電流來產(chǎn)生垂直于轉(zhuǎn)子磁性元件的定子矢量，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。更新定子電流會使定子磁通矢量始終與轉(zhuǎn)子磁體保持 90 度。PHEV 和 BEV 中的其他常用電機(jī)類型包括感應(yīng)電機(jī)、外部勵磁同步機(jī)器和開關(guān)磁阻機(jī)器。

為了減少使用昂貴的稀土永磁材料，外部勵磁同步電機(jī) (EESM) 不僅作為輔助軸，而且作為車輛的主軸動器，采用率不斷增長。使用這種電機(jī)的目的是降低成本 - 例如，100kW 峰值功率需要大約 1.5kg 的磁體，并減少制造和維護(hù)工作量。EESM 機(jī)器類型包括導(dǎo)電 EESM 和電感 EESM (iEESM)。使用 EESM 的商用車輛包括 Toyota Prius、Chevrolet Bolt EV、Ford Focus Electric、VW e-Golf、BMW iX3 等等。

4 微控制器

定義了逆變器架構(gòu)和規(guī)格后，下一步是選擇 MCU。TI 為 HEV 和 EV 應(yīng)用提供了強(qiáng)大的微控制器產(chǎn)品系列，包括基于 Arm^? Cortex^? R5F 的 Sitara 系列和具有實時控制功能和快速控制環(huán)路的高性能 C2000? MCU 系列。

4.1 Sitara 系列

Sitara MCU 系列 中的 Arm Cortex-R5F 集群包含兩個 R5F 內(nèi)核。內(nèi)核附帶存儲器，例如 L1 緩存和緊耦合存儲器 (TCM)、標(biāo)準(zhǔn) Arm CoreSight? 調(diào)試和跟蹤架構(gòu)、集成矢量中斷管理器 (VIM)、ECC 聚合器和各種其他模塊。用于實時控制的加速器繼承了經(jīng)典 C2000 控制模塊。該加速器包括：模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、模擬比較器、緩沖數(shù)模轉(zhuǎn)換器、增強(qiáng)型脈寬調(diào)制器 (EPWM)、增強(qiáng)型捕捉、增強(qiáng)型正交編碼器脈沖、快速串行接口、Σ-Δ 濾波器模塊和縱橫制。其他優(yōu)點包括：用于拆分安全分解的靈活鎖步選項、硬件安全模塊 (HSM)、帶有 AUTOSAR 的 CAN-FD 支持。由 AM2634-Q1 控制的牽引逆變器系統(tǒng)方框圖如圖 4-1 所示。

圖 4-1. 采用 AM2634-Q1 的牽引逆變器系統(tǒng)方框圖

Code Composer Studio? 軟件工程文件夾包含牽引逆變器演示代碼。旋轉(zhuǎn)變壓器環(huán)路的實現(xiàn)方式如下：一個 PWM 通道設(shè)置為通過直接存儲器存取和較高頻率下的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 來觸發(fā)旋轉(zhuǎn)變壓器激勵信號的更新，而另外三個 PWM 通道會創(chuàng)建逆變器信號并生成 ADC SOC。來自 DAC 的旋轉(zhuǎn)變壓器激勵信號將對齊到所需的 ADC 采樣相位。多個 ADC 單元可以共享同一個片上系統(tǒng) (SOC)。

4.2 實時控制 MCU

20 多年來，TI C2000 MCU 系列一直在數(shù)字電源和電機(jī)控制應(yīng)用中提供卓越的實時控制性能。這些 MCU 集成了閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)字信號處理器 (DSP) 和脈寬調(diào)制 (PWM) 單元，表現(xiàn)非常出色；例如 TMS320F28003x 和 TMS320F2837x。C2000 系列具有從獨立逆變器到完全動力總成集成的各種特性，包括：牽引逆變器、車載充電器 (OBC)、高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器、電池管理系統(tǒng) (BMS)、暖通空調(diào) (HVAC)、即將推出的能夠每秒提供數(shù)億條指令 (MIPS) 的 F29x 系列。

TI C2000 MCU 包含以下特性，可幫助加快牽引逆變器的控制算法：

 ? 基于狀態(tài)機(jī)的 32 位浮點控制律加速器，能夠獨立于主 DSP 內(nèi)核磁場定向控制執(zhí)行代碼

 ? 此系列中的某些器件支持 32 位浮點運算或 64 位浮點運算

 ? 三角函數(shù)加速器 (TMU)，提供內(nèi)在指令以支持變換和扭矩環(huán)路計算中常見的三角數(shù)學(xué)函數(shù)。使用基于 TMU 的指令可以顯著減少周期計數(shù)。圖 4-2 顯示了通過 TMU 實現(xiàn)的牽引逆變器控制算法的改進(jìn)。

 ? 減少了復(fù)雜數(shù)學(xué)方程式中的 Viterbi 和循環(huán)冗余校驗碼運算的周期數(shù)

圖 4-2. 牽引逆變器控制的 TMU 改進(jìn)

5 隔離式柵極驅(qū)動器

TI 柵極驅(qū)動器隔離高達(dá) 5.7kV_RMS，有助于防止電擊，同時提供更高的工作電壓以及更寬的爬電距離和間隙，從而提高系統(tǒng)可靠性。主要有兩種隔離式柵極驅(qū)動器系列：智能驅(qū)動器 UCC21750-Q1 系列和安全驅(qū)動器 UCC5870-Q1 系列。UCC21750-Q1 系列包括牽引逆變器中電源模塊的保護(hù)特性，例如快速過流和短路檢測、分流電流檢測支持、故障報告、有源米勒鉗位、輸入和輸出側(cè)電源欠壓鎖定檢測。隔離式模擬至 PWM 傳感器有助于更輕松地進(jìn)行溫度或電壓檢測。

UCC5870-Q1 驅(qū)動器系列包括以下功能：

 ? 功能安全合規(guī)型隔離式單通道柵極驅(qū)動器，支持高達(dá) 1kVRMS 的工作電壓和超過 40 年的隔離柵壽命，并提供低器件間偏移和 >100V/ns 的共模噪聲抗擾度 (CMTI)

 ? 30A 的高峰值驅(qū)動強(qiáng)度，可更大限度地降低電源開關(guān)損耗并移除驅(qū)動電路上的緩沖器電路，從而降低成本。

 ? 溫度傳感器，用于監(jiān)測電源模塊的溫度并允許在高達(dá)特定溫度限制的條件下運行，從而幫助支持寬工作范圍

 ? 具有米勒鉗位，可防止誤導(dǎo)通并使開關(guān)能夠根據(jù)需要快速切換以實現(xiàn)效率目標(biāo)

圖 5-1 和圖 5-2 顯示了 UCC5870-Q1 和競爭器件在以下測試條件下的 30A 驅(qū)動強(qiáng)度：

 ? Vcc2 – Vee2 = 23V

 ? R_gon = R_goff = 0Ω

 ? 負(fù)載電容 = 1μF

提高牽引逆變器效率和降低 EMI 的一種方法是調(diào)整柵極驅(qū)動輸出以控制壓擺率，從而在溫度、負(fù)載和電壓等不同條件下改變開關(guān)速度。例如，當(dāng)消耗電池電壓時，瞬態(tài)電壓 (dv/dt) 會自然變小，并且可以調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動輸出以使開關(guān)更快地轉(zhuǎn)換。

圖 5-3 和圖 5-4 展示了基于 UCC5870-Q1 的可調(diào)柵極驅(qū)動實現(xiàn)方案。圖 5-3 展示了設(shè)計圖，而圖 5-4 展示了設(shè)計板，該設(shè)計板連接到 WolfSpeed 公司的 XM3 半橋電源模塊系列。

圖 5-3. 具有可調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動實現(xiàn)的 UCC5870-Q1 設(shè)計圖

圖 5-4. 具有可調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動實現(xiàn)的 UCC5870-Q1 設(shè)計板

圖 5-5 和圖 5-6 展示了雙脈沖測試波形。上升沿的平均開關(guān) dv/dt 速度從 4.6kV/μs 增加到 21kV/μs。下降沿的平均開關(guān) dv/dt 速度從 3.8kV/μs 增加到 13.5kV/μs。

以下兩個圖像均通過 800V 總線下的雙脈沖測試波形收集。

表 5-1 比較了在 400V 總線電壓下弱驅(qū)動（5.5Ω 柵極電阻）和強(qiáng)驅(qū)動（0.5Ω 柵極電阻）之間的開關(guān)能量。

表 5-1. 400V 總線電壓下的開關(guān)能量比較

表5-2 比較了在 800V 總線電壓下弱驅(qū)動和強(qiáng)驅(qū)動之間的開關(guān)能量。

表 5-2. 800V 總線電壓下的開關(guān)能量比較

6 低壓偏置電源

在牽引逆變器中，低壓偏置電源通常連接到低壓電源（例如 12V 電池）并為柵極驅(qū)動器供電。TI 提供各種解決方案：包括具有集成場效應(yīng)晶體管 (FET) 和集成磁性元件的轉(zhuǎn)換器、具有集成 FET 和外部磁性元件的轉(zhuǎn)換器以及具有外部 FET 和外部磁性元件的控制器。

UCC14240-Q1 隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器模塊在 105°C 環(huán)境溫度下提供 1.5W 的輸出功率，并提供 ±1.3% 的輸出電壓調(diào)節(jié)。該器件具有基礎(chǔ)型和增強(qiáng)型隔離版本以及超過 150V/ns 的共模瞬態(tài)抗擾度性能。圖 6-1 所示為 UCC14240-Q1 的 (EVM) 板圖像，后者采用薄型 3.5mm 寬體 SOIC 集成封裝。

UCC25800-Q1 器件是一款電感器-電感器-電容器諧振轉(zhuǎn)換器，具有超低 EMI 輻射。該器件允許設(shè)計使用漏電感較高但寄生初級到次級電容較小的變壓器，并具有可調(diào)節(jié)過流保護(hù)、輸入過壓保護(hù)、過熱保護(hù)和引腳故障保護(hù)等保護(hù)特性。

SN6507-Q1 是一款高頻推挽式變壓器驅(qū)動器，此驅(qū)動器具有集成的 MOSFET 和可實現(xiàn)寬輸入電壓范圍的占空比控制。該器件集成了控制器和兩個異相切換的 0.5A NMOS 電源開關(guān)。該器件還包括可編程軟啟動，展頻時鐘和引腳可配置的壓擺率控制。

LM2518x-Q1 系列是一款初級側(cè)穩(wěn)壓 (PSR) 反激式轉(zhuǎn)換器，具有集成電源開關(guān)并能夠在 4.5V 至 42V 的寬輸入范圍內(nèi)運行。隔離輸出電壓采樣自初級側(cè)反激式電壓，因此，無需使用光耦合器、電壓基準(zhǔn)或變壓器的第三繞組進(jìn)行輸出電壓穩(wěn)壓。通過采用邊界導(dǎo)電模式 (BCM) 開關(guān)，可實現(xiàn)緊湊的磁設(shè)計以及優(yōu)于 ±1.5% 的負(fù)載和線路調(diào)節(jié)性能。

圖 6-1. UCC14240-Q1 EVM 板

7 高壓偏置冗余電源

牽引逆變器系統(tǒng)通常需要高壓電源，該電源可轉(zhuǎn)換高壓電池的電源并連接到低壓側(cè)，從而創(chuàng)建冗余電源路徑并提高安全性。當(dāng)輸入電壓低至 50V 時，可能需要使用此高壓電源啟動，并且對于 800V 電池，該電源還必須能夠以高達(dá) 1kV 的電壓運行。車輛發(fā)生碰撞后或牽引逆變器故障導(dǎo)致高壓蓄電池分離時，可能會出現(xiàn)啟動電壓過低的情況。電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)并充當(dāng)發(fā)電機(jī)，從而將非受控電壓引入直流總線。為了控制電壓以使電壓不超過 50V（觸摸安全），輔助電源必須打開并為安全相關(guān)電路加電，這些電路可以對直流鏈路電容器進(jìn)行放電（有源放電）或主動對電機(jī)進(jìn)行短路。

TI 提供各種參考設(shè)計來滿足此要求：

8 直流鏈路有源放電

每個電動汽車牽引逆變器都需要一個直流鏈路有源放電作為安全關(guān)鍵型功能。在以下條件和要求下，需要使用放電電路釋放直流鏈路電容器中的能量：

 ? 在緊急情況下或維修期間，系統(tǒng)中的電壓必須在 2 秒內(nèi)可安全觸摸

 ? 在車輛 key-off 時，直流鏈路電容器必須保持放電狀態(tài)

 ? 系統(tǒng)級安全要求 ASIL D

 ? 應(yīng)能夠獨立于 MCU 運行，以防 MCU 發(fā)生失效

TI 有多種有源放電設(shè)計，可滿足不同的系統(tǒng)級要求：

 ? 使用 TPSI3050-Q1 的功率晶體管開關(guān)控制。TPSI3050-Q1 增強(qiáng)型隔離式開關(guān)驅(qū)動器具有一個集成的 10V 柵極電源，無需輔助偏置電源即可驅(qū)動放電電源開關(guān)。

 ? 使用 AFE539F1-Q1 器件的受控 PWM。AFE539F1-Q1 智能 AFE 具有用于 PWM 和自定義波形發(fā)生器的內(nèi)置非易失性存儲器。該器件增加了編程和邏輯功能，無需在基于 DAC 的電路、基于 MCU 的電路和完全分立式電路之間使用軟件。圖 8-1 和圖 8-2 顯示了設(shè)計方框圖和測試波形。

圖 8-1. 基于智能 AFE 的直流鏈路有源放電

圖 8-2. 測試波形

 ? 通過電源模塊上的線性偏置或基于 PWM 的脈沖線性開關(guān)構(gòu)成短路，對功率級進(jìn)行放電。TI 具有三態(tài)功能的隔離式柵極驅(qū)動器支持使用分立式模擬電路通過電源模塊進(jìn)行有源放電。放電曲線鏡像到電容器兩端的電流源基準(zhǔn)，其中 100μA 恒定灌電流代表 1A 恒定放電電流。柵極電壓穩(wěn)壓器會調(diào)節(jié)柵源極電壓，并將電源模塊驅(qū)動到線性區(qū)域。

 ? 通過電機(jī)繞組進(jìn)行能量放電。可以將基于繞組的放電分成多個級。這些級包括快速放電級或總線電壓調(diào)節(jié)級。生成較大的 d 軸電流會快速降低直流鏈路能量，而 q 軸電流必須為零。TI Sitara 或 C2000 MCU 的快速環(huán)路控制和安全隔離式柵極驅(qū)動器具有串行外設(shè)接口 (SPI) 可編程性，六個 ADC 通道可提供可靠且平穩(wěn)的受控放電。

9 轉(zhuǎn)子位置感應(yīng)

電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器可測量轉(zhuǎn)子軸的角度位置。電機(jī)位置傳感器對于滿足電動汽車應(yīng)用中的安全要求的速度反饋環(huán)路控制非常重要。對于位置控制，傳感器可在整個運動過程中啟用已知（安全）位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置，并向扭矩控制環(huán)路提供反饋。

可變磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器實施旋轉(zhuǎn)變壓器的原理。該變壓器具有一個初級繞組和兩個彼此成直角的次級繞組。對初級繞組施加激勵電壓 (V_EXC)（通過勵磁放大器，例如 TI 的 ALM2403-Q1 或 TAS5431-Q1 產(chǎn)生）會產(chǎn)生能產(chǎn)生磁通量 (Φ) 的電流。磁通通過次級繞組相對于轉(zhuǎn)子角度 (?) 分布，并相應(yīng)地感應(yīng) VSIN 和 VCO。反饋信號從差分信號轉(zhuǎn)換為 ADC 的單端輸出。安全 MCU 會根據(jù)旋變傳感器次級繞組上的電壓比計算 ?。

電感式位置傳感器實現(xiàn)了可用于高速電機(jī)位置感應(yīng)的無磁體技術(shù)。傳感器使用渦流原理來檢測在一組線圈上方移動的金屬目標(biāo)的位置。位置傳感器接口 IC 將來自 RX 線圈的輸入信號轉(zhuǎn)換為由 MCU 處理的差分正弦和余弦輸出信號。

10 隔離式電壓和電流檢測

牽引逆變器系統(tǒng)使用隔離式傳感器 進(jìn)行電壓和電流測量，例如直流鏈路電壓和電機(jī)相電流。TI 的 AMC1311B-Q1 和 AMC1351-Q1 隔離式放大器以及基于 AMC1305-Q1 隔離式調(diào)制器的設(shè)計有助于實現(xiàn)高精度、高帶寬、低延遲和低溫漂，從而實現(xiàn)隔離式電流和電壓檢測。該產(chǎn)品系列提供基本和增強(qiáng)型隔離等級?；诙趸璧碾娙莞綦x柵可實現(xiàn)高水平的磁場抗擾度。

11 系統(tǒng)工程和參考設(shè)計

TI 的系統(tǒng)工程團(tuán)隊致力于使用 TI 品類齊全的產(chǎn)品系列開發(fā)經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計，從而幫助客戶加快系統(tǒng)設(shè)計周期。下面詳細(xì)列出了之前開發(fā)的一些參考設(shè)計：

 ? TIDM-02009：

TIDM-02009 是一種經(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。

此參考設(shè)計演示了如何通過一個 TMS320F28388D 實時 C2000 MCU 控制 HEV/EV 牽引逆變器和雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器。牽引控制利用基于軟件的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (RDC)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá) 20,000RPM。直流/直流轉(zhuǎn)換器結(jié)合了峰值電流模式控制 (PCMC) 技術(shù)、相移全橋 (PSFB) 拓?fù)湟约巴秸?(SR) 機(jī)制。牽引逆變器 級采用碳化硅 (SiC) 功率級，由 UCC5870-Q1 智能柵極驅(qū)動器器件驅(qū)動。利用比較器子系統(tǒng) (CMPSS) 中先進(jìn) 的 PWM 模塊和內(nèi)置斜坡補償功能，可生成 PCMC 波形。該系統(tǒng)基于 ASIL 分解的功能安全概念已通過 TüV SüD 認(rèn)證，說明整個系統(tǒng)的安全完整性等級可達(dá) ISO 26262 ASIL D 等級，符合典型的安全目標(biāo)。

 ? PMP22817：

PMP22817 是帶集成變壓器的汽車類 SPI 可編程柵極驅(qū)動器和偏置電源參考設(shè)計。

此參考設(shè)計為牽引逆變器中的電源開關(guān)提供隔離式偏置電源和隔離式柵極驅(qū)動器。偏置電源和驅(qū)動器均可提供 800VDC 總線應(yīng)用所需的高隔離。隔離式偏置提供 24VDC，包括 +15V 和 -5V 柵極驅(qū)動偏置。隔離式驅(qū)動器提供快速開通和關(guān)斷這些大功率開關(guān)所需的高電流，并提供高級保護(hù)功能。PMP22817 設(shè)計還提供經(jīng)過測試的直流/直流單端初級電感器轉(zhuǎn)換器 SEPIC，以便關(guān)斷汽車類電池電壓（6V 至 42V，包括浪涌和突降），從而提供穩(wěn)定的 24V 電壓。

? TIDA-01527

TIDA-01527 是帶有 C2000? 微控制器且精度為 ±0.1° 的分立式旋轉(zhuǎn)變壓器前端參考設(shè)計。

該參考設(shè)計是適用于旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器的勵磁放大器和模擬前端。該設(shè)計僅在 1 平方英寸的印刷電路板 (PCB) 上實施分立式組件和標(biāo)準(zhǔn)運算放大器。提供的算法和代碼示例使用了 C2000 微控制器 (MCU) LaunchPad? 開發(fā)套件，通過 TMS320F28069M MCU 來進(jìn)行信號處理和角度計算。該參考設(shè)計使用了非凡的散射信號處理方法。該方法將系統(tǒng)精度提高了 250%，同時還將硬件成本和復(fù)雜性保持在合理水平。

12 結(jié)論

汽車牽引逆變器正朝著 800V 技術(shù)、高功率密度（大于 50kW/L）、高效率 (>99%) 和高安全性 (ASILD) 要求的方向發(fā)展。TI 技術(shù)和器件（例如 MCU、隔離式柵極驅(qū)動器、隔離式偏置電源、安全 PMIC、有源放電、位置感應(yīng)、隔離式電壓和電流檢測）有助于實現(xiàn)具有更高可靠性和低成本的高性能安全牽引逆變器系統(tǒng)。

13 參考文獻(xiàn)

有關(guān) C2000 為實時信號鏈帶來優(yōu)勢（包括軟件基準(zhǔn)測試）的更多詳細(xì)信息，請參閱展示 C2000? 控制 MCU 優(yōu)化信號鏈的實時基準(zhǔn)測試應(yīng)用手冊。

有關(guān)智能 AFE 的更多信息，請參閱什么是智能 DAC？ 技術(shù)文章。

請參閱“利用可靠且性價比高的隔離技術(shù)應(yīng)對高壓設(shè)計挑戰(zhàn)”白皮書。