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

探索電動汽車牽引逆變器設計趨勢

牽引逆變器負責將電池能量轉換為控制扭矩和速度所需的功率，因此是影響電動汽車續(xù)航里程、性能和駕駛體驗的最大因素。扭矩與電機尺寸成比例，而功率提供扭矩和速度。在保持功率恒定的情況下，如果想要縮小電機尺寸和扭矩，則需要增加速度。這是個挑戰(zhàn)，因為元件尺寸通常隨著功率水平和扭矩增加而增加，尤其是存在因機械或電氣非理想因素而造成損耗等設計效率低下問題時。因此，不僅要縮小電機的尺寸，還要縮小牽引逆變器本身的電氣系統(tǒng)尺寸，這一點變得很重要。

為了延長續(xù)航里程、縮小電機尺寸并降低重量，但又不能降低功率水平，牽引電機需要能夠以更高的速度 (>30,000rpm) 轉動。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換。為了實現(xiàn)這些目標，牽引逆變器設計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晶體管、使用 800V 高壓電池，以及集成多個子系統(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

若要提升電動汽車的駕駛體驗，包括平穩(wěn)的巡航控制、敏捷的加速和減速，以及更安靜的車內體驗，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)化電機控制環(huán)路可以實現(xiàn)快速準確的反饋，這樣一來，電機便可以快速響應速度或扭矩變化。圖 1 中高亮顯示的部分展示了電機控制環(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體元件隔離。三個隔離式放大器或調制器通過分流電阻器測量電機電流，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 成經修改的逆變器輸出。電流感測反饋環(huán)路的延遲是一項首要考慮因素，尤其是因為功率晶體管開關頻率（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，以實現(xiàn)較高的轉速。大電流產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，則這些放大器應能夠可靠地工作，并且電源和控制電流之間的噪聲干擾應極小，這一點非常重要。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)路可以限制三個電流相位的諧波失真，從而在加速和剎車期間實現(xiàn)平穩(wěn)的電機速度和扭矩控制。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。AMC1300B-Q1 和 AMC1311B-Q1 等隔離式放大器與 AMC1306M25 和 AMC1336 等隔離式調制器支持在 200kHz 帶寬范圍內進行準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)轉換器 (ADC) 轉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制 (PWM)。電機控制設計中通常采用的 FOC 算法需要使用復雜的數(shù)學運算，例如快速傅里葉變換 (FFT) 和三角運算。這就導致了對高處理帶寬的需 求，尤其是對于 20kHz 及以上的開關頻率而言。

務必要分配 MCU 的功率負載，以便它可以處理牽引逆變器的電機控制和安全功能。高速 FOC 實現(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控制和功能安全特性。C2000? TMS320F28377D、TMS320F28386D、TMS320F280039C 和 Sitara? AM2634-Q1 等實時 MCU 可以有效地提供快速控制環(huán)路性能，并借助 >3MSPS ADC 來感測和處理多個優(yōu)化內核的功率，從而快速執(zhí)行復雜的控制數(shù)學運算。緊密集成的高分辨率驅動 PWM 有助于生成精確的占空比，從而實現(xiàn)優(yōu)化的電機控制。針對牽引逆變器進行優(yōu)化時，ADC 輸入、FOC 算法執(zhí)行和 PWM 寫入三級相結合，實現(xiàn)了不到 4μs 的控制環(huán)路延遲。

柵極驅動器和偏置電源如何助力不斷延長的電動汽車續(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之間的紐帶。功率級包括一個高壓直流總線，該總線通過一個與 IGBT 或 SiC MOSFET 等功率晶體管的三個相位相連的大電容器組去耦。功率級應該在將直流電壓轉換為交流時具有極小的功率損耗，并且尺寸較小，以便高效地使用電池，進而延長汽車的續(xù)航里程。然而，這是個挑戰(zhàn)，因為電壓和功率越高，元件的尺寸自然就越大。幸運的是，隨著相關技術的不斷突破，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：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計中采用 SiC MOSFET。當 SiC 晶體管受到妥善控制時，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，它們在開關時會產生一些功率損耗，而這些功率損耗會影響牽引逆變器的效率。在開關瞬變期間，電壓和電流邊沿會重疊并產生功率損耗，如圖 3 所示。高柵極驅動器輸出電流可以對 SiC FET 柵極進行快速充放電，從而實現(xiàn)較低的功率損耗。然而，開關行為會在溫度、電流和電壓范圍內發(fā)生變化，因此以盡可能快的速度進行開關并非盡如人意。SiC FET 上電壓的快速轉換（稱為漏源電壓 (V_DS) 的瞬態(tài)電壓 (dv/dt)）會以傳導接地電流形式產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，電機本身會受到高 dv/dt 的影響。柵極驅動器電路可以控制功率損耗和開關瞬態(tài)。

圖3 V_DS和 I_D重疊導致的 MOSFET 導通充電曲線以及對應的開關損耗

通過使用柵極電阻來控制柵極驅動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衡。圖 4 展示了一種柵極驅動器實現(xiàn)，該實現(xiàn)具有可調輸出驅動強度來針對溫度和電流范圍內的 SiC MOSFET 壓擺率變化進行優(yōu)化。

圖4 采用 UCC5870-Q1 且由 UCC14240-Q1 供電的可調柵極驅動器輸出電路方框圖

可調節(jié)功能對牽引逆變器性能有利，因為它能夠實現(xiàn)更低的 EMI 和更低的損耗，進而提高效率來幫助延長行駛里程。TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 柵極驅動器具有 30A 驅動強度，因此可以非常方便地基于更改和優(yōu)化柵極電阻來實現(xiàn)可調柵極驅動解決方案。此外，它們具有電隔離和 100kV/μs CMTI，因此可以在采用快速開關 SiC 技術的高壓應用中輕松地使用。

電池的電壓電平也會影響系統(tǒng)中存在的 dv/dt 大小，當設計人員需要最大限度地降低 EMI，并且所選元件需要滿足各項隔離安全標準并保持相同的功率密度和面積時，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 電動汽車電池應用打造高功率密度解決方案。

當電源需要具有隔離能力和良好的調節(jié)能力時，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) 越高會導致線性區(qū)域的曲線斜率越大。曲線斜率較大意味著應減小漏源導通電阻 (R_DS(on))，以最大限度地減少導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。

為柵極驅動器提供電源和電壓的隔離式偏置電源應當在快速瞬變期間保持適當?shù)恼龞艠O電壓，并能夠支持負電壓來保持 SiC FET 安全關斷。隔離式電源通常采用集成半導體開關控制器的變壓器來生成。不過，從電氣效率和 EMI 的角度而言，變壓器的復雜設計會直接影響功率級的性能。繞組間電容會導致共模電流增加，而共模電流又會導致產生 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行權衡，因而需要花更多的時間來設計。

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 SiC MOSFET 的 CMTI 大于 150V/ns。HEV/EV 子系統(tǒng)設計逐漸朝著進一步集成的方向發(fā)展，例如將牽引逆變器與直流/直流轉換器結合使用。與采用反激式轉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計低得多，因此重心更低，振動耐受度更高。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，同時能夠提供正確的電壓來高效地驅動功率晶體管。

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

結論

電動汽車正在推動從處理到功率半導體領域的全面技術創(chuàng)新。電機控制和動力總成設計直接影響電動汽車的續(xù)航里程和駕駛性能。高精度電流傳感器與具有實時控制功能的智能 MCU 相結合，有助于降低延遲并提升電機控制環(huán)路的精度，從而實現(xiàn)平穩(wěn)的速度和扭矩轉變。由于諧波失真降低，電氣效率和續(xù)航里程得到改善；電機振動也一樣有所改善，從而有助于防止不舒服的駕駛體驗。

通過采用 SiC MOSFET 和 800V 技術實現(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 廣泛的集成式半導體技術產品系列讓汽車制造商和一級供應商能夠靈活地實現(xiàn)高性能和低成本。

了解有關牽引逆變器技術的更多信息：

? TI.com.cn 上的高壓牽引逆變器登錄頁面。

? 經過 ASIL D 等級功能安全認證的高速牽引和雙向直流/直流轉換參考設計。

? 帶集成變壓器的汽車類 SPI 可編程柵極驅動器和偏置電源參考設計。

了解適用于牽引逆變器系統(tǒng)的 TI 產品的更多信息：

? C2000 實時 MCU。

? AM2634-Q1 Arm^? Cortex^?-R5F MCU。

? UCC5870-Q1 高級可編程隔離式柵極驅動器。

? 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 器件的基準測試與分析

本文的其他貢獻者包括：

? Han Zhang，系統(tǒng)工程師

? Sean Murphy，產品營銷工程師

? Robert Martinez，系統(tǒng)工程師

? Dongbin Hou，系統(tǒng)工程師

? Francisco Lauzurique，應用工程師