具有卓越性能的電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器設計優(yōu)先事項

摘 要：本技術(shù)白皮書(shū)探討了牽引逆變器的主要系統趨勢、架構和技術(shù)。此外，還介紹了用于啟用牽引逆變器的器件和技術(shù)，包括隔離、高壓域和低壓域技術(shù)。最后，本文檔重點(diǎn)介紹系統工程概念和設計，以縮短牽引逆變器的設計時(shí)間。

1 引言

牽引逆變器是電動(dòng)汽車(chē) (EV) 傳動(dòng)系統的核心。因此，逆變器在提高全球電動(dòng)汽車(chē)的采用率方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。牽引電機通過(guò)將電池或發(fā)電機的直流電源轉換為交流電源來(lái)提供出色的扭矩和加速度，從而為永磁機器 (PMSM)、感應電機 (IM)、外部勵磁同步電機 (EESM) 和開(kāi)關(guān)磁阻電機 (SRM) 等牽引驅動(dòng)電機供電。牽引逆變器還轉換電機的回收能量，并在車(chē)輛滑行或制動(dòng)時(shí)對電池充電。

在測量牽引逆變器的性能時(shí)，需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵的設計優(yōu)先事項和權衡：

 ? 功能安全和信息安全 – 功能安全設計通常遵循 ISO 26262 或電子安全車(chē)輛入侵保護應用流程，其中包括安全診斷；系統級失效模式和影響分析；失效模式、影響和診斷分析以及硬件安全模塊 (HSM)。

 ? 重量和功率密度 – 寬帶隙開(kāi)關(guān)和動(dòng)力總成集成是實(shí)現高功率密度逆變器設計的關(guān)鍵技術(shù)。例如，OEM 的逆變器功率密度目標是到 2025 年，在美國市場(chǎng)中達到 100kW/L。使用 SiC 可實(shí)現 800V 直流總線(xiàn)電壓、降低額定 電流和減少線(xiàn)束。具有快速控制環(huán)路的 MCU 支持使用高速、更輕的電機和動(dòng)力總成集成，例如與直流/直流轉換器集成的逆變器。

 ? 效率 – 系統效率包括牽引逆變器效率、電機效率和再生制動(dòng)模式下的逆變器效率。

 ? 性能和可靠性 – 通過(guò)電機扭矩控制、電流檢測環(huán)路和電機扭矩瞬態(tài)響應來(lái)測量逆變器系統的性能?？煽啃园娫茨K可靠性、電機可靠性和隔離等。

 ? 系統成本 – 除了電機和線(xiàn)束之外，主要元件包括：

 – EMI 濾波器

 – 直流鏈路電容器

 – 匯流條

 – MCU 和控制電子產(chǎn)品

 – 電源模塊和驅動(dòng)級電子產(chǎn)品

 – 電流傳感器

 – 逆變器殼體和冷卻

2 架構和趨勢

牽引逆變器的架構因車(chē)輛類(lèi)型而異。插電式混合動(dòng)力汽車(chē) (PHEV) 和純電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 具有三相電壓源逆變器拓撲，功率級別在 100kW 至 500kW 范圍內。電池包可以直接連接到逆變器直流輸入，也可以使用直流/直流升壓轉換器升高電池電壓并為逆變器提供受控直流電壓。

兩級逆變器是電動(dòng)汽車(chē)和業(yè)界常用的電源轉換器，其功率范圍為數十千瓦到數百千瓦。通常，開(kāi)關(guān)頻率范圍為 5kHz 至 30kHz，目前，三級逆變器越來(lái)越受歡迎，因為該逆變器具有更高的功率容量（超過(guò) 300kW）、更高的 效率和更低的諧波失真，并允許使用更小的電磁干擾 (EMI) 濾波器。在許多拓撲中，中性點(diǎn)鉗位和 T 型中性點(diǎn)鉗位 (TNPC) 是極具競爭力的設計。圖 2-1 所示為三級 TNPC 逆變器的示例。

圖 2-1. 三級 T 型逆變器

第二個(gè)趨勢是雙電機架構。早在 2012 年，特斯拉就推出了 Model S，這是一款后輪驅動(dòng)標準型豪華轎車(chē)，續航里程高達 426km，配備 85kWh 電池包。2014 年，特斯拉發(fā)布了 Model S 四驅版本，在前后軸上均配有電機。自那時(shí)起，各 OEM（例如 Chevy Volt PHEV、Toyota Prius HEV 和 Cadillac CT6 PHEV）紛紛實(shí)施雙逆變器。

改進(jìn)系統集成的第三個(gè)趨勢是實(shí)現電子軸，將電力電子系統、電機和變速器組合在緊湊的系統外殼中。電子軸可提高電機性能，因為此設計可實(shí)現更高的扭矩和最高速度，例如 20k RPM。更好的冷卻和線(xiàn)圈繞組結構可提高功率密度和電機效率。

牽引逆變器功能的其他趨勢包括：

 ? 提高功率級別和汽車(chē)安全完整性等級 (ASIL)（100kW 至 500kW、ASIL C 至 ASIL D）

 ? 隨著(zhù)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電壓的增加向 800V 技術(shù)轉變

 ? 輕松調整柵極驅動(dòng)強度以減少過(guò)沖、優(yōu)化效率并降低 EMI

 ? 采用電感式位置感應技術(shù)而不是旋轉變壓器來(lái)降低成本

 ? 將有源放電集成到柵極驅動(dòng)器集成電路 (IC) 中，從而降低成本并節省空間

3 支持牽引逆變器的關(guān)鍵技術(shù)

牽引逆變器需要隔離技術(shù)、在低壓域上實(shí)現的技術(shù)以及在高壓域上實(shí)現的技術(shù)。隔離式柵極驅動(dòng)器、數字隔離器、隔離式模數轉換器和固態(tài)繼電器中采用的 TI 電容隔離技術(shù)，可在使用二氧化硅作為電介質(zhì)的電容電路中整合增強型信號隔離。圖 3-1 顯示了牽引逆變器系統示例。隔離柵（紅色虛線(xiàn)）將低壓域和高壓域隔開(kāi)。

圖 3-1. 牽引逆變器系統方框圖

在低壓域中，微控制器 (MCU) 向電源開(kāi)關(guān)生成脈寬調制 (PWM) 信號。MCU 在閉環(huán)中運行感應和速度控制，并處理主機功能以滿(mǎn)足強制的硬件和軟件安全以及安全代碼執行要求。此外，實(shí)施安全電源樹(shù)可防止 MCU 和關(guān)鍵電源軌斷電。連接到 12V 汽車(chē)電池的電源管理集成電路 (PMIC) 或系統基礎芯片為 MCU 供電。MCU 與旋轉變壓器或霍爾效應傳感器的模擬前端相連。

高壓域中的主要功能包括：

 ? 電源開(kāi)關(guān) – 通?；谔蓟?(SiC) 或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的電源模塊，這些模塊由具有保護和監控功能的隔離式柵極驅動(dòng)器控制

 ? 隔離式柵極驅動(dòng)器 - 允許數據和電力在高壓和低壓?jiǎn)卧g傳輸，同時(shí)可以防止任何危險的直流電或不受控制的瞬態(tài)電流從高壓域中流出

 ? 偏置電源 – 電隔離電源，從低壓側獲取輸入并向電源開(kāi)關(guān)生成柵極驅動(dòng)電壓

 ? 隔離式電壓和電流檢測 – 用以檢測直流鏈路電壓和電機相電流，并確保向電機施加正確的扭矩

 ? 有源放電 – 將直流總線(xiàn)電容器電壓放電至安全電壓。對于能夠產(chǎn)生反電動(dòng)勢 (EMF) 的電機類(lèi)型，需要進(jìn)行有源放電。聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(huì )第 94 號聯(lián)合國條例要求直流總線(xiàn)電容器電壓在 5 秒內降至安全電壓 (60V)。此外，還包含診斷電路，用于對關(guān)鍵功能執行自檢，以防止系統失效。

逆變器控制和安全方案也因車(chē)輛類(lèi)型而異。例如，可以使用永磁同步電機 (PMSM)，因為 PMSM 具有高效率、低扭矩紋波和寬速度范圍。PMSM 通常使用空間矢量 PWM 控制，也稱(chēng)為場(chǎng)定向控制。通過(guò)控制定子電流來(lái)產(chǎn)生垂直于轉子磁性元件的定子矢量，從而產(chǎn)生轉矩。更新定子電流會(huì )使定子磁通矢量始終與轉子磁體保持 90 度。PHEV 和 BEV 中的其他常用電機類(lèi)型包括感應電機、外部勵磁同步機器和開(kāi)關(guān)磁阻機器。

為了減少使用昂貴的稀土永磁材料，外部勵磁同步電機 (EESM) 不僅作為輔助軸，而且作為車(chē)輛的主軸動(dòng)器，采用率不斷增長(cháng)。使用這種電機的目的是降低成本 - 例如，100kW 峰值功率需要大約 1.5kg 的磁體，并減少制造和維護工作量。EESM 機器類(lèi)型包括導電 EESM 和電感 EESM (iEESM)。使用 EESM 的商用車(chē)輛包括 Toyota Prius、Chevrolet Bolt EV、Ford Focus Electric、VW e-Golf、BMW iX3 等等。

4 微控制器

定義了逆變器架構和規格后，下一步是選擇 MCU。TI 為 HEV 和 EV 應用提供了強大的微控制器產(chǎn)品系列，包括基于 Arm^? Cortex^? R5F 的 Sitara 系列和具有實(shí)時(shí)控制功能和快速控制環(huán)路的高性能 C2000? MCU 系列。

4.1 Sitara 系列

Sitara MCU 系列 中的 Arm Cortex-R5F 集群包含兩個(gè) R5F 內核。內核附帶存儲器，例如 L1 緩存和緊耦合存儲器 (TCM)、標準 Arm CoreSight? 調試和跟蹤架構、集成矢量中斷管理器 (VIM)、ECC 聚合器和各種其他模塊。用于實(shí)時(shí)控制的加速器繼承了經(jīng)典 C2000 控制模塊。該加速器包括：模數轉換器 (ADC)、模擬比較器、緩沖數模轉換器、增強型脈寬調制器 (EPWM)、增強型捕捉、增強型正交編碼器脈沖、快速串行接口、Σ-Δ 濾波器模塊和縱橫制。其他優(yōu)點(diǎn)包括：用于拆分安全分解的靈活鎖步選項、硬件安全模塊 (HSM)、帶有 AUTOSAR 的 CAN-FD 支持。由 AM2634-Q1 控制的牽引逆變器系統方框圖如圖 4-1 所示。

圖 4-1. 采用 AM2634-Q1 的牽引逆變器系統方框圖

Code Composer Studio? 軟件工程文件夾包含牽引逆變器演示代碼。旋轉變壓器環(huán)路的實(shí)現方式如下：一個(gè) PWM 通道設置為通過(guò)直接存儲器存取和較高頻率下的數模轉換器 (DAC) 來(lái)觸發(fā)旋轉變壓器激勵信號的更新，而另外三個(gè) PWM 通道會(huì )創(chuàng )建逆變器信號并生成 ADC SOC。來(lái)自 DAC 的旋轉變壓器激勵信號將對齊到所需的 ADC 采樣相位。多個(gè) ADC 單元可以共享同一個(gè)片上系統 (SOC)。

4.2 實(shí)時(shí)控制 MCU

20 多年來(lái)，TI C2000 MCU 系列一直在數字電源和電機控制應用中提供卓越的實(shí)時(shí)控制性能。這些 MCU 集成了閃存、模數轉換器 (ADC)、數字信號處理器 (DSP) 和脈寬調制 (PWM) 單元，表現非常出色；例如 TMS320F28003x 和 TMS320F2837x。C2000 系列具有從獨立逆變器到完全動(dòng)力總成集成的各種特性，包括：牽引逆變器、車(chē)載充電器 (OBC)、高壓直流/直流轉換器、電池管理系統 (BMS)、暖通空調 (HVAC)、即將推出的能夠每秒提供數億條指令 (MIPS) 的 F29x 系列。

TI C2000 MCU 包含以下特性，可幫助加快牽引逆變器的控制算法：

 ? 基于狀態(tài)機的 32 位浮點(diǎn)控制律加速器，能夠獨立于主 DSP 內核磁場(chǎng)定向控制執行代碼

 ? 此系列中的某些器件支持 32 位浮點(diǎn)運算或 64 位浮點(diǎn)運算

 ? 三角函數加速器 (TMU)，提供內在指令以支持變換和扭矩環(huán)路計算中常見(jiàn)的三角數學(xué)函數。使用基于 TMU 的指令可以顯著(zhù)減少周期計數。圖 4-2 顯示了通過(guò) TMU 實(shí)現的牽引逆變器控制算法的改進(jìn)。

 ? 減少了復雜數學(xué)方程式中的 Viterbi 和循環(huán)冗余校驗碼運算的周期數

圖 4-2. 牽引逆變器控制的 TMU 改進(jìn)

5 隔離式柵極驅動(dòng)器

TI 柵極驅動(dòng)器隔離高達 5.7kV_RMS，有助于防止電擊，同時(shí)提供更高的工作電壓以及更寬的爬電距離和間隙，從而提高系統可靠性。主要有兩種隔離式柵極驅動(dòng)器系列：智能驅動(dòng)器 UCC21750-Q1 系列和安全驅動(dòng)器 UCC5870-Q1 系列。UCC21750-Q1 系列包括牽引逆變器中電源模塊的保護特性，例如快速過(guò)流和短路檢測、分流電流檢測支持、故障報告、有源米勒鉗位、輸入和輸出側電源欠壓鎖定檢測。隔離式模擬至 PWM 傳感器有助于更輕松地進(jìn)行溫度或電壓檢測。

UCC5870-Q1 驅動(dòng)器系列包括以下功能：

 ? 功能安全合規型隔離式單通道柵極驅動(dòng)器，支持高達 1kVRMS 的工作電壓和超過(guò) 40 年的隔離柵壽命，并提供低器件間偏移和 >100V/ns 的共模噪聲抗擾度 (CMTI)

 ? 30A 的高峰值驅動(dòng)強度，可更大限度地降低電源開(kāi)關(guān)損耗并移除驅動(dòng)電路上的緩沖器電路，從而降低成本。

 ? 溫度傳感器，用于監測電源模塊的溫度并允許在高達特定溫度限制的條件下運行，從而幫助支持寬工作范圍

 ? 具有米勒鉗位，可防止誤導通并使開(kāi)關(guān)能夠根據需要快速切換以實(shí)現效率目標

圖 5-1 和圖 5-2 顯示了 UCC5870-Q1 和競爭器件在以下測試條件下的 30A 驅動(dòng)強度：

 ? Vcc2 – Vee2 = 23V

 ? R_gon = R_goff = 0Ω

 ? 負載電容 = 1μF

提高牽引逆變器效率和降低 EMI 的一種方法是調整柵極驅動(dòng)輸出以控制壓擺率，從而在溫度、負載和電壓等不同條件下改變開(kāi)關(guān)速度。例如，當消耗電池電壓時(shí)，瞬態(tài)電壓 (dv/dt) 會(huì )自然變小，并且可以調節柵極驅動(dòng)輸出以使開(kāi)關(guān)更快地轉換。

圖 5-3 和圖 5-4 展示了基于 UCC5870-Q1 的可調柵極驅動(dòng)實(shí)現方案。圖 5-3 展示了設計圖，而圖 5-4 展示了設計板，該設計板連接到 WolfSpeed 公司的 XM3 半橋電源模塊系列。

圖 5-3. 具有可調節柵極驅動(dòng)實(shí)現的 UCC5870-Q1 設計圖

圖 5-4. 具有可調節柵極驅動(dòng)實(shí)現的 UCC5870-Q1 設計板

圖 5-5 和圖 5-6 展示了雙脈沖測試波形。上升沿的平均開(kāi)關(guān) dv/dt 速度從 4.6kV/μs 增加到 21kV/μs。下降沿的平均開(kāi)關(guān) dv/dt 速度從 3.8kV/μs 增加到 13.5kV/μs。

以下兩個(gè)圖像均通過(guò) 800V 總線(xiàn)下的雙脈沖測試波形收集。

表 5-1 比較了在 400V 總線(xiàn)電壓下弱驅動(dòng)（5.5Ω 柵極電阻）和強驅動(dòng)（0.5Ω 柵極電阻）之間的開(kāi)關(guān)能量。

表 5-1. 400V 總線(xiàn)電壓下的開(kāi)關(guān)能量比較

表5-2 比較了在 800V 總線(xiàn)電壓下弱驅動(dòng)和強驅動(dòng)之間的開(kāi)關(guān)能量。

表 5-2. 800V 總線(xiàn)電壓下的開(kāi)關(guān)能量比較

6 低壓偏置電源

在牽引逆變器中，低壓偏置電源通常連接到低壓電源（例如 12V 電池）并為柵極驅動(dòng)器供電。TI 提供各種解決方案：包括具有集成場(chǎng)效應晶體管 (FET) 和集成磁性元件的轉換器、具有集成 FET 和外部磁性元件的轉換器以及具有外部 FET 和外部磁性元件的控制器。

UCC14240-Q1 隔離式直流/直流轉換器模塊在 105°C 環(huán)境溫度下提供 1.5W 的輸出功率，并提供 ±1.3% 的輸出電壓調節。該器件具有基礎型和增強型隔離版本以及超過(guò) 150V/ns 的共模瞬態(tài)抗擾度性能。圖 6-1 所示為 UCC14240-Q1 的 (EVM) 板圖像，后者采用薄型 3.5mm 寬體 SOIC 集成封裝。

UCC25800-Q1 器件是一款電感器-電感器-電容器諧振轉換器，具有超低 EMI 輻射。該器件允許設計使用漏電感較高但寄生初級到次級電容較小的變壓器，并具有可調節過(guò)流保護、輸入過(guò)壓保護、過(guò)熱保護和引腳故障保護等保護特性。

SN6507-Q1 是一款高頻推挽式變壓器驅動(dòng)器，此驅動(dòng)器具有集成的 MOSFET 和可實(shí)現寬輸入電壓范圍的占空比控制。該器件集成了控制器和兩個(gè)異相切換的 0.5A NMOS 電源開(kāi)關(guān)。該器件還包括可編程軟啟動(dòng)，展頻時(shí)鐘和引腳可配置的壓擺率控制。

LM2518x-Q1 系列是一款初級側穩壓 (PSR) 反激式轉換器，具有集成電源開(kāi)關(guān)并能夠在 4.5V 至 42V 的寬輸入范圍內運行。隔離輸出電壓采樣自初級側反激式電壓，因此，無(wú)需使用光耦合器、電壓基準或變壓器的第三繞組進(jìn)行輸出電壓穩壓。通過(guò)采用邊界導電模式 (BCM) 開(kāi)關(guān)，可實(shí)現緊湊的磁設計以及優(yōu)于 ±1.5% 的負載和線(xiàn)路調節性能。

圖 6-1. UCC14240-Q1 EVM 板

7 高壓偏置冗余電源

牽引逆變器系統通常需要高壓電源，該電源可轉換高壓電池的電源并連接到低壓側，從而創(chuàng )建冗余電源路徑并提高安全性。當輸入電壓低至 50V 時(shí)，可能需要使用此高壓電源啟動(dòng)，并且對于 800V 電池，該電源還必須能夠以高達 1kV 的電壓運行。車(chē)輛發(fā)生碰撞后或牽引逆變器故障導致高壓蓄電池分離時(shí)，可能會(huì )出現啟動(dòng)電壓過(guò)低的情況。電機開(kāi)始旋轉并充當發(fā)電機，從而將非受控電壓引入直流總線(xiàn)。為了控制電壓以使電壓不超過(guò) 50V（觸摸安全），輔助電源必須打開(kāi)并為安全相關(guān)電路加電，這些電路可以對直流鏈路電容器進(jìn)行放電（有源放電）或主動(dòng)對電機進(jìn)行短路。

TI 提供各種參考設計來(lái)滿(mǎn)足此要求：

8 直流鏈路有源放電

每個(gè)電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器都需要一個(gè)直流鏈路有源放電作為安全關(guān)鍵型功能。在以下條件和要求下，需要使用放電電路釋放直流鏈路電容器中的能量：

 ? 在緊急情況下或維修期間，系統中的電壓必須在 2 秒內可安全觸摸

 ? 在車(chē)輛 key-off 時(shí)，直流鏈路電容器必須保持放電狀態(tài)

 ? 系統級安全要求 ASIL D

 ? 應能夠獨立于 MCU 運行，以防 MCU 發(fā)生失效

TI 有多種有源放電設計，可滿(mǎn)足不同的系統級要求：

 ? 使用 TPSI3050-Q1 的功率晶體管開(kāi)關(guān)控制。TPSI3050-Q1 增強型隔離式開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器具有一個(gè)集成的 10V 柵極電源，無(wú)需輔助偏置電源即可驅動(dòng)放電電源開(kāi)關(guān)。

 ? 使用 AFE539F1-Q1 器件的受控 PWM。AFE539F1-Q1 智能 AFE 具有用于 PWM 和自定義波形發(fā)生器的內置非易失性存儲器。該器件增加了編程和邏輯功能，無(wú)需在基于 DAC 的電路、基于 MCU 的電路和完全分立式電路之間使用軟件。圖 8-1 和圖 8-2 顯示了設計方框圖和測試波形。

圖 8-1. 基于智能 AFE 的直流鏈路有源放電

圖 8-2. 測試波形

 ? 通過(guò)電源模塊上的線(xiàn)性偏置或基于 PWM 的脈沖線(xiàn)性開(kāi)關(guān)構成短路，對功率級進(jìn)行放電。TI 具有三態(tài)功能的隔離式柵極驅動(dòng)器支持使用分立式模擬電路通過(guò)電源模塊進(jìn)行有源放電。放電曲線(xiàn)鏡像到電容器兩端的電流源基準，其中 100μA 恒定灌電流代表 1A 恒定放電電流。柵極電壓穩壓器會(huì )調節柵源極電壓，并將電源模塊驅動(dòng)到線(xiàn)性區域。

 ? 通過(guò)電機繞組進(jìn)行能量放電?？梢詫⒒诶@組的放電分成多個(gè)級。這些級包括快速放電級或總線(xiàn)電壓調節級。生成較大的 d 軸電流會(huì )快速降低直流鏈路能量，而 q 軸電流必須為零。TI Sitara 或 C2000 MCU 的快速環(huán)路控制和安全隔離式柵極驅動(dòng)器具有串行外設接口 (SPI) 可編程性，六個(gè) ADC 通道可提供可靠且平穩的受控放電。

9 轉子位置感應

電機轉子位置傳感器可測量轉子軸的角度位置。電機位置傳感器對于滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)應用中的安全要求的速度反饋環(huán)路控制非常重要。對于位置控制，傳感器可在整個(gè)運動(dòng)過(guò)程中啟用已知（安全）位置、電機轉速和位置，并向扭矩控制環(huán)路提供反饋。

可變磁阻旋轉變壓器傳感器實(shí)施旋轉變壓器的原理。該變壓器具有一個(gè)初級繞組和兩個(gè)彼此成直角的次級繞組。對初級繞組施加激勵電壓 (V_EXC)（通過(guò)勵磁放大器，例如 TI 的 ALM2403-Q1 或 TAS5431-Q1 產(chǎn)生）會(huì )產(chǎn)生能產(chǎn)生磁通量 (Φ) 的電流。磁通通過(guò)次級繞組相對于轉子角度 (?) 分布，并相應地感應 VSIN 和 VCO。反饋信號從差分信號轉換為 ADC 的單端輸出。安全 MCU 會(huì )根據旋變傳感器次級繞組上的電壓比計算 ?。

電感式位置傳感器實(shí)現了可用于高速電機位置感應的無(wú)磁體技術(shù)。傳感器使用渦流原理來(lái)檢測在一組線(xiàn)圈上方移動(dòng)的金屬目標的位置。位置傳感器接口 IC 將來(lái)自 RX 線(xiàn)圈的輸入信號轉換為由 MCU 處理的差分正弦和余弦輸出信號。

10 隔離式電壓和電流檢測

牽引逆變器系統使用隔離式傳感器 進(jìn)行電壓和電流測量，例如直流鏈路電壓和電機相電流。TI 的 AMC1311B-Q1 和 AMC1351-Q1 隔離式放大器以及基于 AMC1305-Q1 隔離式調制器的設計有助于實(shí)現高精度、高帶寬、低延遲和低溫漂，從而實(shí)現隔離式電流和電壓檢測。該產(chǎn)品系列提供基本和增強型隔離等級?；诙趸璧碾娙莞綦x柵可實(shí)現高水平的磁場(chǎng)抗擾度。

11 系統工程和參考設計

TI 的系統工程團隊致力于使用 TI 品類(lèi)齊全的產(chǎn)品系列開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的系統設計，從而幫助客戶(hù)加快系統設計周期。下面詳細列出了之前開(kāi)發(fā)的一些參考設計：

 ? TIDM-02009：

TIDM-02009 是一種經(jīng)過(guò) 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。

此參考設計演示了如何通過(guò)一個(gè) TMS320F28388D 實(shí)時(shí) C2000 MCU 控制 HEV/EV 牽引逆變器和雙向直流/直流轉換器。牽引控制利用基于軟件的旋轉變壓器數字轉換器 (RDC)，使電機轉速高達 20,000RPM。直流/直流轉換器結合了峰值電流模式控制 (PCMC) 技術(shù)、相移全橋 (PSFB) 拓撲以及同步整流 (SR) 機制。牽引逆變器 級采用碳化硅 (SiC) 功率級，由 UCC5870-Q1 智能柵極驅動(dòng)器器件驅動(dòng)。利用比較器子系統 (CMPSS) 中先進(jìn) 的 PWM 模塊和內置斜坡補償功能，可生成 PCMC 波形。該系統基于 ASIL 分解的功能安全概念已通過(guò) TüV SüD 認證，說(shuō)明整個(gè)系統的安全完整性等級可達 ISO 26262 ASIL D 等級，符合典型的安全目標。

 ? PMP22817：

PMP22817 是帶集成變壓器的汽車(chē)類(lèi) SPI 可編程柵極驅動(dòng)器和偏置電源參考設計。

此參考設計為牽引逆變器中的電源開(kāi)關(guān)提供隔離式偏置電源和隔離式柵極驅動(dòng)器。偏置電源和驅動(dòng)器均可提供 800VDC 總線(xiàn)應用所需的高隔離。隔離式偏置提供 24VDC，包括 +15V 和 -5V 柵極驅動(dòng)偏置。隔離式驅動(dòng)器提供快速開(kāi)通和關(guān)斷這些大功率開(kāi)關(guān)所需的高電流，并提供高級保護功能。PMP22817 設計還提供經(jīng)過(guò)測試的直流/直流單端初級電感器轉換器 SEPIC，以便關(guān)斷汽車(chē)類(lèi)電池電壓（6V 至 42V，包括浪涌和突降），從而提供穩定的 24V 電壓。

? TIDA-01527

TIDA-01527 是帶有 C2000? 微控制器且精度為 ±0.1° 的分立式旋轉變壓器前端參考設計。

該參考設計是適用于旋轉變壓器傳感器的勵磁放大器和模擬前端。該設計僅在 1 平方英寸的印刷電路板 (PCB) 上實(shí)施分立式組件和標準運算放大器。提供的算法和代碼示例使用了 C2000 微控制器 (MCU) LaunchPad? 開(kāi)發(fā)套件，通過(guò) TMS320F28069M MCU 來(lái)進(jìn)行信號處理和角度計算。該參考設計使用了非凡的散射信號處理方法。該方法將系統精度提高了 250%，同時(shí)還將硬件成本和復雜性保持在合理水平。

12 結論

汽車(chē)牽引逆變器正朝著(zhù) 800V 技術(shù)、高功率密度（大于 50kW/L）、高效率 (>99%) 和高安全性 (ASILD) 要求的方向發(fā)展。TI 技術(shù)和器件（例如 MCU、隔離式柵極驅動(dòng)器、隔離式偏置電源、安全 PMIC、有源放電、位置感應、隔離式電壓和電流檢測）有助于實(shí)現具有更高可靠性和低成本的高性能安全牽引逆變器系統。

13 參考文獻

有關(guān) C2000 為實(shí)時(shí)信號鏈帶來(lái)優(yōu)勢（包括軟件基準測試）的更多詳細信息，請參閱展示 C2000? 控制 MCU 優(yōu)化信號鏈的實(shí)時(shí)基準測試應用手冊。

有關(guān)智能 AFE 的更多信息，請參閱什么是智能 DAC？ 技術(shù)文章。

請參閱“利用可靠且性?xún)r(jià)比高的隔離技術(shù)應對高壓設計挑戰”白皮書(shū)。