電動(dòng)汽車(chē) (EV) 牽引逆變器是電動(dòng)汽車(chē)的核心。它將高壓電池的直流電轉(zhuǎn)換為多相（通常是三相）交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)并控制制動(dòng)能量的再生。電動(dòng)汽車(chē)電子設(shè)備正在從 400V 架構(gòu)轉(zhuǎn)向 800V 架構(gòu)，這正在逐步現(xiàn)實(shí)、普及，更高的電壓會(huì)帶來(lái)至少三個(gè)好處:

- 快速充電 - 在相同電流下提供雙倍的電量。

- 通過(guò)使用碳化硅 (SiC) 提高效率和功率密度。

- 通過(guò)使用更細(xì)的電纜來(lái)減輕重量，從而減少 800V 相同額定功率所需的電流。

在牽引逆變器中，微控制器（MCU）是系統(tǒng)的大腦，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）執(zhí)行電機(jī)控制、電壓和電流采樣，使用磁芯計(jì)算磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法，使用脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)。對(duì)于 MCU 而言，向 800V 牽引逆變器的轉(zhuǎn)變帶來(lái)了三個(gè)挑戰(zhàn)。

- 需要較低延遲的實(shí)時(shí)控制性能。

- 增加了功能安全要求。

- 需要對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行快速響應(yīng)。

實(shí)時(shí)控制，低延遲

為了控制牽引電機(jī)的扭矩和速度，MCU 使用外設(shè)（ADC、PWM）和計(jì)算核心的組合來(lái)完成控制環(huán)路。隨著轉(zhuǎn)向 800V 系統(tǒng)，牽引逆變器也正在轉(zhuǎn)向?qū)拵?a target="_blank">半導(dǎo)體（例如 SiC），因?yàn)樗鼈冊(cè)?800V 下的效率和功率密度大大提高。

為了實(shí)現(xiàn) SiC 所需的更高開(kāi)關(guān)頻率，該控制環(huán)路延遲成為優(yōu)先考慮的事項(xiàng)。低延遲控制環(huán)路還允許工程師以更高的速度運(yùn)行電機(jī)，從而減小電機(jī)的尺寸和重量。要了解并減少控制環(huán)路延遲，您必須了解控制環(huán)路信號(hào)鏈及其各個(gè)階段。

為了實(shí)現(xiàn)出色的實(shí)時(shí)控制性能，必須優(yōu)化整個(gè)信號(hào)鏈，包括硬件和軟件。從ADC采樣（電機(jī)輸入）到寫(xiě)入PWM（輸出控制電機(jī)）所需的時(shí)間是實(shí)時(shí)控制性能的基本衡量標(biāo)準(zhǔn)。從ADC采樣開(kāi)始，逆變器系統(tǒng)需要準(zhǔn)確、快速地采樣，即實(shí)現(xiàn)高采樣率、至少12位分辨率和低轉(zhuǎn)換時(shí)間。

一旦采樣可用，就需要通過(guò)互連傳輸?shù)?a target="_blank">處理器并由處理器讀取，并使用優(yōu)化的總線(xiàn)和內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)架構(gòu)來(lái)減少延遲。在處理器中，核心需要使用FOC算法根據(jù)電機(jī)的相電流、速度和位置來(lái)計(jì)算下一個(gè)PWM步驟。

為了進(jìn)一步減少計(jì)算時(shí)間，內(nèi)核需要高時(shí)鐘速率并且必須有效地執(zhí)行特定數(shù)量的指令。此外，內(nèi)核需要執(zhí)行一系列指令類(lèi)型，包括浮點(diǎn)、三角和整數(shù)數(shù)學(xué)指令。最后，內(nèi)核再次使用低延遲路徑將更新的占空比寫(xiě)入 PWM 生成器。對(duì) PWM 輸出應(yīng)用死區(qū)補(bǔ)償可防止在高側(cè)和低側(cè) FET 之間切換時(shí)發(fā)生短路，并且最好在硬件級(jí)別應(yīng)用，以減少軟件開(kāi)銷(xiāo)。

提高功能安全要求

由于牽引逆變器提供控制電機(jī)的電力，因此它們本質(zhì)上是功能安全且關(guān)鍵的系統(tǒng)。由于 800V 系統(tǒng)有可能提供更高的功率、扭矩、速度（或全部三項(xiàng)），因此牽引系統(tǒng)需要具有功能安全性，以滿(mǎn)足汽車(chē)安全完整性等級(jí) (ASIL) D 要求。功能安全系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是 MCU，因?yàn)樗枰龀鲋悄軟Q策以安全地響應(yīng)系統(tǒng)故障。因此，使用經(jīng)過(guò) ASIL D 認(rèn)證的 MCU 是一個(gè)重要的安全要素。

為了讓工程師更輕松地滿(mǎn)足牽引逆變器特定的系統(tǒng)安全要求，TI MCU 提供了附加功能。例如，相電流反饋指示有關(guān)電機(jī)扭矩的信息，這使得這些信號(hào)對(duì)安全至關(guān)重要。因此，許多工程師更喜歡對(duì)相電流進(jìn)行冗余采樣，這意味著 MCU 必須具有多個(gè)獨(dú)立的 ADC。

對(duì)系統(tǒng)故障的快速響應(yīng)

工程師面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是在發(fā)生故障（例如電流更新）時(shí)能否快速將電機(jī)置于安全狀態(tài)。在器件中，故障公共輸入（過(guò)流、過(guò)壓或高速故障）會(huì)發(fā)送至創(chuàng)新的可編程實(shí)時(shí)單元 (PRU)。

PRU 中執(zhí)行的固件正確評(píng)估和響應(yīng)故障類(lèi)型并執(zhí)行所需的 PWM 保護(hù)序列，然后根據(jù)需要將 PWM 直接置于安全狀態(tài)。這些操作只需 105 納秒即可完成。此外，由于固件是用戶(hù)可編程的，工程師可以根據(jù)需要添加額外的自定義邏輯以滿(mǎn)足其應(yīng)用要求。

隨著越來(lái)越多的電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)，設(shè)計(jì)趨勢(shì)將轉(zhuǎn)向SiC和800V技術(shù)，需要提高電機(jī)控制性能并滿(mǎn)足牽引逆變器的功能安全要求。隨著世界走向電氣化，性能和效率的創(chuàng)新對(duì)于幫助汽車(chē)工程師設(shè)計(jì)下一代電動(dòng)汽車(chē)至關(guān)重要。