引领下一代电动汽车牵引逆变器创新的三个关键要素

牵引逆变器的作用是将电动汽车电池的高压直流转换为电动机所需的交流电，牵引逆变器控制电机的转速和扭矩，其效率直接影响电动汽车的输出功率、散热表现以及续驶里程。

图 1 显示了牵引逆变器的一些最重要的芯片或模块：微控制器 (MCU)、隔离式栅极驱动器和隔离式偏置电源。

图 1：电动汽车牵引逆变器框图

为了最大限度地提高牵引逆变器的可靠性和效率，您必须解决与这三个组件相关的设计挑战。让我们看看有助于缓解这些挑战的创新。

实时控制 MCU

降低电动汽车牵引逆变器的尺寸和重量，可以增加行驶里程并降低成本，这需要MCU的不断创新。减小尺寸和重量的一种方法是以更高的速度 (>20 kRPM) 旋转电机，这样做需要优化控制环路以实现低延迟，从模数转换器 (ADC) 读取到磁场定向控制（FOC）计算，以及脉宽调制（PWM）技术。

TI 拥有许多加速器和功能来实现低控制环路延迟，其中包括一些专为牵引逆变器设计的硬件加速器。AM263P4-Q1 MCU上的两个加速器是旋转变压器数字转换器 (RDC) 和三角数学单元 (TMU)。

RDC 将旋转变压器传感器的正弦/余弦反馈转换为速度和位置。此计算在专用硬件中进行，以加快转换过程并从主内核卸载此功能。TI MCU 内置的其他诊断功能包括 sin 2 + cos 2 = 1 检查。将这些诊断与两个冗余 RDC 相结合，可为牵引逆变器创建优化的解决方案，该解决方案必须满足汽车安全完整性等级 ASIL D。

TMU 协处理器与每个内核并行运行，并从主内核卸载三角数学函数，同时还提供高达 8 倍的速度改进。速度的提高为牵引逆变器提供了显着的控制环路优势，因为大多数牵引逆变器控制环路都使用 FOC 算法来实现需要三角数学函数的 Clarke变换和Park 变换。

RDC 和 TMU 加速器（包括控制子系统）可实现 3 µs内的实时控制延迟，从而能够控制远高于 20 kRPM 的高速牵引逆变电机，从而能够减小系统尺寸和重量。

栅极驱动器

随着牵引逆变器功率水平接近 500 kW，提高效率（减少整个驱动周期的能量损耗）是栅极驱动器设计的主要考虑因素。其他设计要求包括功率密度、重量、高度、功能安全性和成本。

为了提高效率，业界广泛采用碳化硅（SiC）场效应晶体管（FET）。与此同时开关供电的隔离式栅极驱动器正变得更加复杂，现在包括隔离式 ADC 感应、多种过流保护模式、偏置电源监控、栅极监控、可编程安全状态、内置自测试以及名为“实时”的新功能，即随时间变化的栅极驱动强度。

根据系统的安全要求，拥有功能安全兼容的栅极驱动器集成电路 (IC) 有助于支持系统实现ISO 26262 合规性。例如，栅极驱动器可以帮助确保ASIL-D 故障检测率单个故障和潜在故障率分别为≥99%和≥90%。

现代栅极驱动器 IC 通过电压转换速率控制方法（瞬态电压）尽快打开和关闭 SiC FET，最大限度地减少时间分量（dt），减少导通和关断能量，从而降低总体开关损耗。这种控制和改变栅极驱动电流强度的能力可显着降低开关损耗，但代价是增加开关期间节点的瞬态过冲，如图2所示。

图 2：通过改变栅极驱动器 IC 驱动强度来控制 SiC 转换速率

实时可变栅极驱动强度为优化牵引逆变器设计提供了终极灵活性，以提高效率并缓解瞬态过冲。

从电动汽车电池充电周期来看，SiC瞬态过冲减少和效率优化是可能的，四分之三的充电周期可用于效率提高；参见图 3。

图 3：电池峰值电压与充电状态期间的效率区

符合功能安全标准的UCC5880-Q1栅极驱动器可通过 4MHz 双向串行外设接口 (SPI) 总线或三个数字输入引脚进行配置修改（不想使用 SPI 总线来设置上电时的驱动强度。），通过双输出、分离输出结构和可变电流强度来实现效率增益。

偏置电源

电动汽车需要牵引逆变器进行高效的电力转换，以便在每个完整放电周期中实现更长的电池运行时间。隔离式栅极驱动器偏置电源通过最大限度地减少 SiC 电源模块的传导功率损耗来实现高效率。将栅极电压设置为最大允许水平可降低漏源导通电阻 (RDS(on) )，同时确保可靠性（图 4）。当牵引逆变器中的电流接近并超过 400 A 时，降低 R DS(on)非常重要，因为更大电阻会导致传导功率损耗过高。

图 4：SiC 栅源电压限制和开关周期期间的传导损耗

TI 隔离式 DC/DC 偏置模块可最大限度地降低传导损耗，而 UCC5880-Q1 则可最大限度地降低开关损耗。对于 SiC 或 IGBT 驱动器，正负栅极驱动轨电压均可轻松调节为最高效的栅极电压设置，在完整工作条件（电压、安全工作区功率、温度和工艺）下误差为1.3%。闭环反馈为栅极驱动电压控制提供高精度调节，最大限度地提高 SiC 或绝缘栅双极晶体管模块的安全性和效率。

TI 隔离式 DC/DC 偏置模块提供高密度解决方案，集成了隔离电源变压器、初级侧电桥、次级侧电桥和控制逻辑。小封装占地面积可在多相牵引逆变器中实现高效、小型驱动解决方案，PCB面积缩小了 30% 以上，高度小于4毫米，并消除了 30 多个分立元件，从而减少了故障率（图 5）。

图 5：TI 隔离偏置模块与反激式电源尺寸和组件比较

结论

通过TI的产品，可以使下一代牵引逆变器的运行效率可提高最多5%，并实现更高的速度、更高的功率密度、更低的高度、更轻的重量和更低的系统成本。随着电动汽车市场的加速发展，牵引逆变器也将获得持续关注。