牽引逆變器：汽車創(chuàng)新與性能的相互交融

踩下電動汽車 (EV) 的踏板，即可獲得快速、平穩(wěn)的加速。對此感到非常滿足？當然不。

您大可不必如此，因為新型電動汽車將擁有更高的性能和更長的續(xù)航里程。由于電動汽車將儲存的電能轉(zhuǎn)化為推進力，此類改進發(fā)生在電氣層面，而不是牽引電機層面。牽引逆變器技術(shù)的新發(fā)展使其成為一個增長領(lǐng)域。牽引逆變器可以管理從高壓電池包到電機的能量轉(zhuǎn)換并推動車輛。大多數(shù)電動汽車的頭條新聞都集中在電池系統(tǒng)的創(chuàng)新上而往往忽略了牽引逆變器。

閱讀白皮書“牽引逆變器 – 汽車電氣化的推動力”。

借助于我們公司具有帶實時控制功能的微處理器和隔離式柵極驅(qū)動器，牽引逆變器的進步正在進一步推動人們對電動汽車性能升級的期望。更高的開關(guān)頻率可直接優(yōu)化可靠性、性能、重量和功率密度，也為采用更輕、更快的電機鋪平了道路。

新一代電動汽車駕駛起來會更加有趣

TI混合動力汽車/電動汽車牽引逆變器系統(tǒng)經(jīng)理 Xun Gong 說：“實際上，電力電子領(lǐng)域的創(chuàng)新正在超越機械方面的限制，促使我們即將達到機械限值?！?/p>

締造新的效率標準

從某些方面來看，目前電動汽車已經(jīng)非常高效。電動汽車的能源浪費僅為典型燃油發(fā)動機的四分之一，但仍有很大的改進空間。引擎蓋下的元件使用和系統(tǒng)設(shè)計越好，意味著能夠可靠、無故障駕駛更長時間。當微控制器可以承擔更多功能時，便可減少電路數(shù)量和外殼重量，從而減小電動汽車中整體電子系統(tǒng)的尺寸并減輕其重量。

TI為用于嚴苛工業(yè)環(huán)境的高壓電機設(shè)計了工業(yè)控制器和功率集成電路 (IC)，并且能夠承受數(shù)十年的惡劣條件，這些經(jīng)驗會告訴我們?nèi)绾螏椭蛻魬獙﹄妱悠嚨脑O(shè)計挑戰(zhàn)。

我們公司的隔離柵極驅(qū)動器應用經(jīng)理 Audrey Dearien 說：“通過與工業(yè)客戶合作開發(fā)電機驅(qū)動器，我們學到了很多系統(tǒng)級問題與解決方案，我們的產(chǎn)品從一開始就是為高壓系統(tǒng)設(shè)計的，以創(chuàng)新為基礎(chǔ)只為打造更好的牽引逆變器?！?/p>

為何碳化硅很重要

要推動電動汽車實現(xiàn)更高的性能，非常重大的變化之一是牽引逆變器中使用的高壓功率開關(guān)從絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 向碳化硅 (SiC) 技術(shù)的轉(zhuǎn)變。因為 SiC 比 IGBT 更高效，可提高電池包儲存能量的利用率，所以這是一種自然的升級。此外，SiC比 IGBT 更小，運行溫度更低，進一步減輕了驅(qū)動系統(tǒng)的重量、縮小機械尺寸并減少了能源浪費。

但轉(zhuǎn)變到 SiC 會帶來其他新的挑戰(zhàn)。與 IGBT 相比，SiC 更容易因短路而損壞，因此電動汽車需要更加合適的柵極驅(qū)動技術(shù)來配合向 SiC 的遷移。

Audrey 說：“我們的柵極驅(qū)動器可以快速檢測到短路，在不到百萬分之一秒的時間內(nèi)將其關(guān)閉，保護器件免受損壞。”

SiC 的開關(guān)速度非?？?，這是貢獻其效率優(yōu)勢的一個原因，但這種高開關(guān)速度可能產(chǎn)生更高的的系統(tǒng)電噪聲，因此會錯誤地觸發(fā)故障或啟動電機。我們的柵極驅(qū)動器通過降低驅(qū)動系統(tǒng)噪聲影響的安全功能來降低這種風險。

Audrey 說：“過去使用較慢的開關(guān)模塊，開關(guān)損耗只能降到一定水平。但使用SiC后您將獲得更高的開關(guān)速度，但同時必須對其進行有效控制。如果沒有高效并且可靠的開關(guān)，您將無法獲得 SiC 的全部優(yōu)勢?！?/p>

支持更高的電動汽車功率密度

牽引逆變器升級只是電動汽車行業(yè)發(fā)展趨勢的一部分，其主要目標是提高大功率電子系統(tǒng)的功率密度。這一改進將使更小的電路板輸出更大能量，從而減小功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電機和牽引逆變器的尺寸并減輕其重量。

Xun 說：“功率密度提高后，汽車會變得更輕，因此您可以更快地實現(xiàn)加速，或者您可在車內(nèi)獲得更多的空間?！?/p>

集成動力系統(tǒng)是提高功率密度的另一種方法。隨著模擬和嵌入式處理技術(shù)的進步，汽車制造商能夠?qū)④囕d充電器、直流/直流轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器等單獨的系統(tǒng)組合到單個域控制器下的一個緊湊機械外殼中。通過集成動力總成，汽車制造商可以將設(shè)計成本降低一半并且提高效率、可靠性和功率密度。同時，這也為駕駛員創(chuàng)造了更好的體驗，包括更低的購買或擁有成本、更長的車輛壽命和更好的道路行駛性能。

新一代牽引逆變器通過提供以下特性提高了電動汽車的效率和性能：

支持高壓800V。當今的大多數(shù)電動汽車都使用 400V 電池包，但行業(yè)正在慢慢轉(zhuǎn)向 800V電池包。800V 的電機能以每分鐘兩倍的轉(zhuǎn)速運行，但同時可能存在更高的能量損失和浪費風險。我們基于 Arm? 的高性能微控制器 (MCU) 和快速柵極驅(qū)動器已準備好迎接挑戰(zhàn)，其快速的電流環(huán)路控制可以以每百萬分之一秒調(diào)整一次電機的開關(guān)算法。

我們公司的 Sitara? MCU 產(chǎn)品線經(jīng)理 Mike Pienovi 說：“隨著系統(tǒng)中功率級別的提高，任何低效率造成的損失都變得更加明顯。要利用這一新潛力，您需要讓微控制器具有低延遲、高精度傳感和控制，從而支持更高的開關(guān)頻率并更大限度地提高效率?！?/p>

上路安全。我們專有的隔離技術(shù)可以幫助汽車及其高壓電池在道路上安全運行。此外，我們用于牽引逆變器和電機控制的汽車微控制器和其他元件均符合功能安全標準，可以幫助系統(tǒng)設(shè)計人員達到最高 ASIL-D 的功能安全等級。

提高可靠性。我們的產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計可通過增強電容隔離、故障檢測和健康狀態(tài)監(jiān)測（包括熱監(jiān)測和電壓監(jiān)測），來幫助延長牽引逆變器和其他關(guān)鍵電動汽車元件的使用壽命。這些診斷和元件檢查可為系統(tǒng)提供早期預警和措施選項，幫助汽車制造商降低關(guān)鍵元件的時基故障率。

當這些功能全部實現(xiàn)后，新一代輕型、超高轉(zhuǎn)速電機可能會搶占大部分的頭條新聞，但了解情況的電動汽車司機會明白，牽引逆變器的進步才會使得大部分性能和可靠性升級成為可能。

審核編輯黃宇