MCU解決800V電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器的常見(jiàn)設計挑戰的3種方式

文章中討論的其他器件：AM2634-Q1

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換為多相（通常為三相）交流電以驅動(dòng)牽引電機，并控制制動(dòng)產(chǎn)生的能量再生。電動(dòng)汽車(chē)電子產(chǎn)品正在從 400V 轉向 800V 架構，這有望實(shí)現：

● 快速充電 – 在相同的電流下提供雙倍的功率。

● 通過(guò)利用碳化硅 (SiC) 提高效率和功率密度。

● 通過(guò)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) 是系統的大腦，通過(guò)模數轉換器 (ADC) 進(jìn)行電機控制、電壓和電流采樣，使用磁芯計算磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 算法，并使用脈寬調制 (PWM) 信號驅動(dòng)功率場(chǎng)效應晶體管 (FET)。對于 MCU，向 800V 牽引逆變器的轉變對其帶來(lái)了三個(gè)挑戰：

● 更低延遲的實(shí)時(shí)控制性能需求。

● 增加了功能安全要求。

● 需要快速響應系統故障。

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。

更低延遲的實(shí)時(shí)控制

為了控制牽引電機的扭矩和速度，MCU 使用外設（ADC、PWM）和計算內核的組合來(lái)完成控制環(huán)路。隨著(zhù)轉向 800V 系統，牽引逆變器也轉向寬帶隙半導體（例如 SiC），因為它們在 800V 時(shí)大大提高了效率和功率密度。為了實(shí)現 SiC 所需的更高開(kāi)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(gè)階段，如圖 1 所示。

圖 1：控制環(huán)路信號鏈

為獲得出色的實(shí)時(shí)控制性能，您必須優(yōu)化整個(gè)信號鏈，包括硬件和軟件。從 ADC 采樣（來(lái)自電機的輸入）到寫(xiě)入 PWM（輸出以控制電機）所花費的時(shí)間是實(shí)時(shí)控制性能的基本衡量標準。從 ADC 采樣開(kāi)始，逆變器系統需要準確快速的采樣，即實(shí)現高采樣率、至少 12 位分辨率和低轉換時(shí)間。一旦可進(jìn)行采樣，它需要通過(guò)互連傳輸到處理器并由處理器讀取，并優(yōu)化的總線(xiàn)和內存訪(fǎng)問(wèn)架構縮短延遲。在處理器中，內核需要使用 FOC 算法根據電機的相電流、速度和位置計算下一個(gè) PWM 步驟。

為了更大限度地減少計算時(shí)間，內核需要較高的時(shí)鐘速率并且必須高效地執行特定數量的指令。此外，內核需要執行一系列指令類(lèi)型，包括浮點(diǎn)、三角和整數數學(xué)指令。最后，內核再次使用低延遲路徑將更新后的占空比寫(xiě)入 PWM 發(fā)生器。在 PWM 輸出上應用死區補償將防止在切換高側和低側 FET 時(shí)發(fā)生短路，最好在硬件級別應用以減少軟件開(kāi)銷(xiāo)。

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 架構的未來(lái)設計，。

增加功能安全要求

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

為了讓工程師更輕松地滿(mǎn)足特定于牽引逆變器的系統安全要求，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(jìn)行冗余采樣，這意味著(zhù) MCU 必須具有多個(gè)獨立的 ADC。

快速響應系統故障

工程師面臨的另一個(gè)挑戰是在出現故障時(shí)能夠快速將電機置于安全狀態(tài)，例如續流。在 AM2634-Q1 器件中，故障通用輸入（用于過(guò)流、過(guò)壓或高速故障）會(huì )進(jìn)入到創(chuàng )新的可編程實(shí)時(shí)單元 (PRU)。在 PRU 中執行的固件可以正確評估和響應故障類(lèi)型并執行所需的 PWM 保護序列，如圖 2 所示，然后根據需要直接將 PWM 置于安全狀態(tài)。這些操作發(fā)生在短短 105ns 內。此外，由于固件是用戶(hù)可進(jìn)行編程的，因此工程師可以在必要時(shí)添加額外的自定義邏輯來(lái)滿(mǎn)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(zhù)越來(lái)越多電動(dòng)汽車(chē)的生產(chǎn)，設計趨勢將轉向 SiC 和 800V 技術(shù)，同時(shí)需要提高電機控制性能并滿(mǎn)足牽引逆變器的功能安全要求。隨著(zhù)世界朝著(zhù)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(chē)工程師設計下一代電動(dòng)汽車(chē)至關(guān)重要。