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德州儀器MCU解決800V電動汽車牽引逆變器設(shè)計挑戰(zhàn)
2022-12-27 670次

  電動汽車 (EV) 牽引逆變器是電動汽車的核心。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(jī),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(shí)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(xì)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。


德州儀器MCU解決800V電動汽車牽引逆變器設(shè)計挑戰(zhàn)

  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(jìn)行電機(jī)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(yīng)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(shí)時控制性能需求。

  增加了功能安全要求。

  需要快速響應(yīng)系統(tǒng)故障。

  本文討論基于 Arm® 的 Sitara? AM2634-Q1 和 C2000? MCU 等器件如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。


  更低延遲的實(shí)時控制

  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?dǎo)體(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(shí)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(yùn)行電機(jī),從而減小電機(jī)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。



德州儀器MCU解決800V電動汽車牽引逆變器設(shè)計挑戰(zhàn)

  圖 1:控制環(huán)路信號鏈



  為獲得出色的實(shí)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(jī)的輸入)到寫入 PWM(輸出以控制電機(jī))所花費(fèi)的時間是實(shí)時控制性能的基本衡量標(biāo)準(zhǔn)。從 ADC 采樣開始,逆變器系統(tǒng)需要準(zhǔn)確快速的采樣,即實(shí)現(xiàn)高采樣率、至少 12 位分辨率和低轉(zhuǎn)換時間。一旦可進(jìn)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(jī)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(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后的占空比寫入 PWM 發(fā)生器。在 PWM 輸出上應(yīng)用死區(qū)補(bǔ)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(yīng)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(shè)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(jī),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(dá)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(yīng)系統(tǒng)故障的決策。因此,使用通過 ASIL D 認(rèn)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(jī)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(jìn)行冗余采樣,這意味著 MCU 必須具有多個獨(dú)立的 ADC。


  快速響應(yīng)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(jī)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(jìn)入到創(chuàng)新的可編程實(shí)時單元 (PRU)。在 PRU 中執(zhí)行的固件可以正確評估和響應(yīng)故障類型并執(zhí)行所需的 PWM 保護(hù)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(jìn)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(yīng)用要求。



德州儀器MCU解決800V電動汽車牽引逆變器設(shè)計挑戰(zhàn)

  圖 2:流程圖顯示了基于故障輸入的


  PWM 輸出的預(yù)期保護(hù)行為

  隨著越來越多電動汽車的生產(chǎn),設(shè)計趨勢將轉(zhuǎn)向 SiC 和 800V 技術(shù),同時需要提高電機(jī)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(shè)計下一代電動汽車至關(guān)重要。

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