MCU解決800V電動汽車牽引逆變器的常見設計挑戰(zhàn)的3種方式

文章中討論的其他器件：AM2634-Q1

電動汽車 (EV) 牽引逆變器是電動汽車的核心。它將高壓電池的直流電轉(zhuǎn)換為多相（通常為三相）交流電以驅(qū)動牽引電機，并控制制動產(chǎn)生的能量再生。電動汽車電子產(chǎn)品正在從 400V 轉(zhuǎn)向 800V 架構(gòu)，這有望實現(xiàn)：

● 快速充電 – 在相同的電流下提供雙倍的功率。

● 通過利用碳化硅 (SiC) 提高效率和功率密度。

● 通過使用更細的電纜減少相同額定功率下 800V 電壓所需的電流，從而減輕重量。

在牽引逆變器中，微控制器 (MCU) 是系統(tǒng)的大腦，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進行電機控制、電壓和電流采樣，使用磁芯計算磁場定向控制 (FOC) 算法，并使用脈寬調(diào)制 (PWM) 信號驅(qū)動功率場效應晶體管 (FET)。對于 MCU，向 800V 牽引逆變器的轉(zhuǎn)變對其帶來了三個挑戰(zhàn)：

● 更低延遲的實時控制性能需求。

● 增加了功能安全要求。

● 需要快速響應系統(tǒng)故障。

在本文中，我們將討論基于 Arm? 的 Sitara? AM2634-Q1 和 C2000? MCU 等器件如何應對這些挑戰(zhàn)。

更低延遲的實時控制

為了控制牽引電機的扭矩和速度，MCU 使用外設（ADC、PWM）和計算內(nèi)核的組合來完成控制環(huán)路。隨著轉(zhuǎn)向 800V 系統(tǒng)，牽引逆變器也轉(zhuǎn)向?qū)拵栋雽w（例如 SiC），因為它們在 800V 時大大提高了效率和功率密度。為了實現(xiàn) SiC 所需的更高開關(guān)頻率，這種控制環(huán)路延遲成為優(yōu)先事項。低延遲控制環(huán)路還使工程師能夠以更高的轉(zhuǎn)速運行電機，從而減小電機的尺寸和減輕重量。要了解并縮短控制環(huán)路延遲，您必須了解控制環(huán)路信號鏈及其各個階段，如圖 1 所示。

圖 1：控制環(huán)路信號鏈

為獲得出色的實時控制性能，您必須優(yōu)化整個信號鏈，包括硬件和軟件。從 ADC 采樣（來自電機的輸入）到寫入 PWM（輸出以控制電機）所花費的時間是實時控制性能的基本衡量標準。從 ADC 采樣開始，逆變器系統(tǒng)需要準確快速的采樣，即實現(xiàn)高采樣率、至少 12 位分辨率和低轉(zhuǎn)換時間。一旦可進行采樣，它需要通過互連傳輸?shù)教幚砥鞑⒂商幚砥髯x取，并優(yōu)化的總線和內(nèi)存訪問架構(gòu)縮短延遲。在處理器中，內(nèi)核需要使用 FOC 算法根據(jù)電機的相電流、速度和位置計算下一個 PWM 步驟。

為了更大限度地減少計算時間，內(nèi)核需要較高的時鐘速率并且必須高效地執(zhí)行特定數(shù)量的指令。此外，內(nèi)核需要執(zhí)行一系列指令類型，包括浮點、三角和整數(shù)數(shù)學指令。最后，內(nèi)核再次使用低延遲路徑將更新后的占空比寫入 PWM 發(fā)生器。在 PWM 輸出上應用死區(qū)補償將防止在切換高側(cè)和低側(cè) FET 時發(fā)生短路，最好在硬件級別應用以減少軟件開銷。

TI MCU 的牽引逆變器控制環(huán)路延遲低至 2.5μs，AM2634-Q1 的延遲小于 4μs。這種級別的控制環(huán)路延遲將面向包括 SiC 架構(gòu)的未來設計，。

增加功能安全要求

由于牽引逆變器提供電力來控制電機，因此它們本質(zhì)上是功能安全型關(guān)鍵系統(tǒng)。由于 800V 系統(tǒng)有可能提供更高的功率、扭矩、速度（或三者兼而有之），因此牽引系統(tǒng)需要功能安全達到汽車安全完整性等級 (ASIL) D 級要求。功能安全系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部分是 MCU，因為它需要智能地做出安全響應系統(tǒng)故障的決策。因此，使用通過 ASIL D 認證的MCU是一個重要的安全元素。

為了讓工程師更輕松地滿足特定于牽引逆變器的系統(tǒng)安全要求，TI MCU 提供了額外的功能。例如，相電流反饋表示有關(guān)電機扭矩的信息，這使得這些信號對安全至關(guān)重要。因此，許多工程師更喜歡對相電流進行冗余采樣，這意味著 MCU 必須具有多個獨立的 ADC。

快速響應系統(tǒng)故障

工程師面臨的另一個挑戰(zhàn)是在出現(xiàn)故障時能夠快速將電機置于安全狀態(tài)，例如續(xù)流。在 AM2634-Q1 器件中，故障通用輸入（用于過流、過壓或高速故障）會進入到創(chuàng)新的可編程實時單元 (PRU)。在 PRU 中執(zhí)行的固件可以正確評估和響應故障類型并執(zhí)行所需的 PWM 保護序列，如圖 2 所示，然后根據(jù)需要直接將 PWM 置于安全狀態(tài)。這些操作發(fā)生在短短 105ns 內(nèi)。此外，由于固件是用戶可進行編程的，因此工程師可以在必要時添加額外的自定義邏輯來滿足他們的應用要求。

圖 2：流程圖顯示了基于故障輸入的 PWM 輸出的預期保護行為

隨著越來越多電動汽車的生產(chǎn)，設計趨勢將轉(zhuǎn)向 SiC 和 800V 技術(shù)，同時需要提高電機控制性能并滿足牽引逆變器的功能安全要求。隨著世界朝著電氣化方向發(fā)展，性能和效率方面的創(chuàng)新對于幫助汽車工程師設計下一代電動汽車至關(guān)重要。