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通過(guò)精心設(shè)計(jì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV) 和電動(dòng)汽車 (EV) 的牽引逆變器，可以幫助實(shí)現(xiàn)更快的電機(jī)速度、更高的效率和更小的系統(tǒng)尺寸，同時(shí)仍保持功率密度不變。新技術(shù)讓汽車制造商能夠打造續(xù)航里程更遠(yuǎn)、性能更出色的未來(lái)汽車。
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本文檔深入討論了牽引逆變器設(shè)計(jì)趨勢(shì)以及相關(guān)半導(dǎo)體技術(shù)和元件。
1探索電動(dòng)汽車牽引逆變器設(shè)計(jì)趨勢(shì)
了解當(dāng)前高性能、高效且可靠的牽引逆變器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。
2利用快速電流感測(cè)反饋環(huán)路和高速控制器提高效率
了解為什么電流感測(cè)反饋環(huán)路會(huì)對(duì)車輛速度和性能產(chǎn)生這樣的影響。
3柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源如何助力不斷延長(zhǎng)的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程
與合適的元件搭配使用時(shí)，碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 與高電壓可以提升電動(dòng)汽車的駕駛體驗(yàn)。
探索電動(dòng)汽車牽引逆變器設(shè)計(jì)趨勢(shì)
牽引逆變器負(fù)責(zé)將電池能量轉(zhuǎn)換為控制扭矩和速度所需的功率，因此是影響電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程、性能和駕駛體驗(yàn)的最大因素。扭矩與電機(jī)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(jī)尺寸和扭矩，則需要增加速度。這是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵叽缤ǔｋS著功率水平和扭矩增加而增加，尤其是存在因機(jī)械或電氣非理想因素而造成損耗等設(shè)計(jì)效率低下問(wèn)題時(shí)。因此，不僅要縮小電機(jī)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(diǎn)變得很重要。
為了延長(zhǎng)續(xù)航里程、縮小電機(jī)尺寸并降低重量，但又不能降低功率水平，牽引電機(jī)需要能夠以更高的速度 (>30,000rpm) 轉(zhuǎn)動(dòng)。這需要快速感測(cè)和處理能力，以及高效的直流到交流電壓轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，牽引逆變器設(shè)計(jì)趨勢(shì)包括使用高級(jí)控制算法、采用 SiC MOSFET 作為功率級(jí)中的開(kāi)關(guān)晶體管、使用 800V 高壓電池，以及集成多個(gè)子系統(tǒng)來(lái)獲得高功率密度。
利用快速電流感測(cè)反饋環(huán)路和高速控制器提高效率
若要提升電動(dòng)汽車的駕駛體驗(yàn)，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(nèi)體驗(yàn)，一種方式是提高電流感測(cè)反饋環(huán)路的整體精度和可靠性。該控制環(huán)路是感測(cè)電流從牽引逆變器各相流回隔離式精密放大器并流過(guò)微控制器 (MCU) 以進(jìn)行處理的路徑。此路徑最終會(huì)讓信號(hào)返回到牽引逆變器的控制輸出。通過(guò)優(yōu)化電機(jī)控制環(huán)路可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的反饋，這樣一來(lái)，電機(jī)便可以快速響應(yīng)速度或扭矩變化。圖 1 中高亮顯示的部分展示了電機(jī)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(jī)控制環(huán)路和功率級(jí)。

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(dǎo)體元件隔離。三個(gè)隔離式放大器或調(diào)制器通過(guò)分流電阻器測(cè)量電機(jī)電流，然后將信號(hào)饋入 MCU 的場(chǎng)定向控制 (FOC) 算法。若要提升電機(jī)速度，就需要更高帶寬的電流感測(cè)反饋環(huán)路，這就意味著同相電流必須盡快生成經(jīng)修改的逆變器輸出。電流感測(cè)反饋環(huán)路的延遲是一項(xiàng)首要考慮因素，尤其是因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/530640.html">功率晶體管開(kāi)關(guān)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(hào)必須逐周期改變脈沖寬度，以實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)速。大電流產(chǎn)生的噪聲還會(huì)影響環(huán)路可靠性。
如果隔離式放大器就在噪聲源附近，則這些放大器應(yīng)能夠可靠地工作，并且電源和控制電流之間的噪聲干擾應(yīng)極小，這一點(diǎn)非常重要。這就是為什么電流感測(cè)環(huán)路中必須使用可在電源接地和信號(hào)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(guò)合理地選擇元件，高精度電流感測(cè)環(huán)路可以限制三個(gè)電流相位的諧波失真，從而在加速和剎車期間實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的電機(jī)速度和扭矩控制。在駕駛期間，電流感測(cè)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(dòng)。AMC1300B-Q1 和 AMC1311B-Q1 等隔離式放大器與 AMC1306M25 和 AMC1336 等隔離式調(diào)制器支持在 200kHz 帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確的電流和電壓測(cè)量，并提供不到 2μs 的延遲和共模瞬態(tài)抗擾度超過(guò) 100kV/μs 的電隔離。
MCU 必須通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 轉(zhuǎn)換給定的三相電流測(cè)量值來(lái)快速地將測(cè)量值數(shù)字化，然后饋入主算法來(lái)為牽引逆變器的輸出生成脈寬調(diào)制 (PWM)。電機(jī)控制設(shè)計(jì)中通常采用的 FOC 算法需要使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，例如快速傅里葉變換 (FFT) 和三角運(yùn)算。這就導(dǎo)致了對(duì)高處理帶寬的需求，尤其是對(duì)于 20kHz 及以上的開(kāi)關(guān)頻率而言。
務(wù)必要分配 MCU 的功率負(fù)載，以便它可以處理牽引逆變器的電機(jī)控制和安全功能。高速 FOC 實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了更多的余量，讓 MCU 中的電源和處理能力能夠處理電機(jī)控制和功能安全特性。C2000? TMS320F28377D、TMS320F28386D、TMS320F280039C 和 Sitara? AM2634-Q1 等實(shí)時(shí) MCU 可以有效地提供快速控制環(huán)路性能，并借助 >3MSPS ADC 來(lái)感測(cè)和處理多個(gè)優(yōu)化內(nèi)核的功率，從而快速執(zhí)行復(fù)雜的控制數(shù)學(xué)運(yùn)算。緊密集成的高分辨率驅(qū)動(dòng) PWM 有助于生成精確的占空比，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的電機(jī)控制。針對(duì)牽引逆變器進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，ADC 輸入、FOC 算法執(zhí)行和 PWM 寫(xiě)入三級(jí)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了不到 4μs 的控制環(huán)路延遲。
牽引逆變器 – 汽車電氣化的推動(dòng)力 3 September 2022

圖 2. 牽引逆變器中的電流感測(cè)反饋環(huán)路。

牽引逆變器 – 汽車電氣化的推動(dòng)力 4 September 2022柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源如何助力不斷延長(zhǎng)的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程
由 MCU 和電流感測(cè)環(huán)路生成的控制信號(hào)會(huì)饋入功率級(jí)，而功率級(jí)是電池和電機(jī)之間的紐帶。功率級(jí)包括一個(gè)高壓直流總線，該總線通過(guò)一個(gè)與 IGBT 或 SiC MOSFET 等功率晶體管的三個(gè)相位相連的大電容器組去耦。功率級(jí)應(yīng)該在將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流時(shí)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(jìn)而延長(zhǎng)汽車的續(xù)航里程。然而，這是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡妷汉凸β试礁?，元件的尺寸自然就越大。幸運(yùn)的是，隨著相關(guān)技術(shù)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(gè)：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(kāi)關(guān)損耗和更小的裸片尺寸，因此一些工程師會(huì)在牽引逆變器設(shè)計(jì)中采用 SiC MOSFET。當(dāng) SiC 晶體管受到妥善控制時(shí)，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(zhǎng)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?cè)陂_(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些功率損耗，而這些功率損耗會(huì)影響牽引逆變器的效率。在開(kāi)關(guān)瞬變期間，電壓和電流邊沿會(huì)重疊并產(chǎn)生功率損耗，如圖 3 所示。高柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電流可以對(duì) SiC FET 柵極進(jìn)行快速充放電，從而實(shí)現(xiàn)較低的功率損耗。然而，開(kāi)關(guān)行為會(huì)在溫度、電流和電壓范圍內(nèi)發(fā)生變化，因此以盡可能快的速度進(jìn)行開(kāi)關(guān)并非盡如人意。SiC FET 上電壓的快速轉(zhuǎn)換（稱為漏源電壓 (VDS) 的瞬態(tài)電壓 (dv/dt)）會(huì)以傳導(dǎo)接地電流形式產(chǎn)生電壓過(guò)沖和電磁干擾 (EMI)。鑒于繞組間的電容可能發(fā)生短路，電機(jī)本身會(huì)受到高 dv/dt 的影響。柵極驅(qū)動(dòng)器電路可以控制功率損耗和開(kāi)關(guān)瞬態(tài)。

圖 3. VDS 和 ID 重疊導(dǎo)致的 MOSFET 導(dǎo)通充電曲線以及對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)損耗。

通過(guò)使用柵極電阻來(lái)控制柵極驅(qū)動(dòng)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(quán)衡。圖 4 展示了一種柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，該實(shí)現(xiàn)具有可調(diào)輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度來(lái)針對(duì)溫度和電流范圍內(nèi)的 SiC MOSFET 壓擺率變化進(jìn)行優(yōu)化。
可調(diào)節(jié)功能對(duì)牽引逆變器性能有利，因?yàn)樗軌驅(qū)崿F(xiàn)更低的 EMI 和更低的損耗，進(jìn)而提高效率來(lái)幫助延長(zhǎng)行駛里程。TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 柵極驅(qū)動(dòng)器具有 30A 驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，因此可以非常方便地基于更改和優(yōu)化柵極電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)可調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)解決方案。此外，它們具有電隔牽引逆變器 – 汽車電氣化的推動(dòng)力 5 September 2022離和 100kV/μs CMTI，因此可以在采用快速開(kāi)關(guān) SiC 技術(shù)的高壓應(yīng)用中輕松地使用。

圖 4. 采用 UCC5870-Q1 且由 UCC14240-Q1 供電的可調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電路方框圖。

電池的電壓電平也會(huì)影響系統(tǒng)中存在的 dv/dt 大小，當(dāng)設(shè)計(jì)人員需要最大限度地降低 EMI，并且所選元件需要滿足各項(xiàng)隔離安全標(biāo)準(zhǔn)并保持相同的功率密度和面積時(shí)，這也會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。SiC MOSFET 以較小的裸片尺寸支持超過(guò) 1,200V 的高擊穿電壓，這可以為 800V 電動(dòng)汽車電池應(yīng)用打造高功率密度解決方案。
當(dāng)電源需要具有隔離能力和良好的調(diào)節(jié)能力時(shí)，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(lái)的影響，如圖 5 所示，其中柵源電壓 (VGS) 越高會(huì)導(dǎo)致線性區(qū)域的曲線斜率越大。曲線斜率較大意味著應(yīng)減小漏源導(dǎo)通電阻 (RDS(on))，以最大限度地減少導(dǎo)通損耗并避免熱失控。

圖 5. 基于 VGS 的 SiC MOSFET 電壓和電流特性。

為柵極驅(qū)動(dòng)器提供電源和電壓的隔離式偏置電源應(yīng)當(dāng)在快速瞬變期間保持適當(dāng)?shù)恼龞艠O電壓，并能夠支持負(fù)電壓來(lái)保持 SiC FET 安全關(guān)斷。隔離式電源通常采用集成半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)控制器的變壓器來(lái)生成。不過(guò)，從電氣效率和 EMI 的角度而言，變壓器的復(fù)雜設(shè)計(jì)會(huì)直接影響功率級(jí)的性能。繞組間電容會(huì)導(dǎo)致共模電流增加，而共模電流又會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)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(jìn)行權(quán)衡，因而需要花更多的時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)。
借助 UCC14241-Q1 和 UCC1420-Q1 等集成式電源模塊，初級(jí)到次級(jí)隔離電容可以被很好地控制在 3.5pF 以下，從而使得快速開(kāi)關(guān) SiC MOSFET 的 CMTI 大于 150V/ns。HEV/EV 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)逐漸朝著進(jìn)一步集成的方向發(fā)展，例如將牽引逆變器與直流/直流轉(zhuǎn)換器結(jié)合使用。與采用反激式轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)低得多，因此重心更低，振動(dòng)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(zhǎng)使用壽命，同時(shí)能夠提供正確的電壓來(lái)高效地驅(qū)動(dòng)功率晶體管。

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

結(jié)論
電動(dòng)汽車正在推動(dòng)從處理到功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的全面技術(shù)創(chuàng)新。電機(jī)控制和動(dòng)力總成設(shè)計(jì)直接影響電動(dòng)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(shí)時(shí)控制功能的智能 MCU 相結(jié)合，有助于降低延遲并提升電機(jī)控制環(huán)路的精度，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的速度和扭矩轉(zhuǎn)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(jī)振動(dòng)也一樣有所改善，從而有助于防止不舒服的駕駛體驗(yàn)。
通過(guò)采用 SiC MOSFET 和 800V 技術(shù)實(shí)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(dòng)力總成功能，最終使得每次充電后具有更長(zhǎng)的行駛里程。TI 廣泛的集成式半導(dǎo)體技術(shù)產(chǎn)品系列讓汽車制造商和一級(jí)供應(yīng)商能夠靈活地實(shí)現(xiàn)高性能和低成本。
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