MCU解決800V電動(dòng)汽車牽引逆變器的常見設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的3種方式

電動(dòng)汽車 (EV) 牽引逆變器是電動(dòng)汽車的核心。它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(dòng)牽引電機(jī)，并控制制動(dòng)產(chǎn)生的能量再生。電動(dòng)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。

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(jì)算磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 算法，并使用脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)。對(duì)于 MCU，向 800V 牽引逆變器的轉(zhuǎn)變對(duì)其帶來了三個(gè)挑戰(zhàn)：

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(yīng)系統(tǒng)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(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

更低延遲的實(shí)時(shí)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(jì)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?a target="_blank">半導(dǎo)體（例如 SiC），因?yàn)樗鼈冊(cè)?800V 時(shí)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(xiàng)。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(hào)鏈及其各個(gè)階段，如圖 1 所示。

圖 1：控制環(huán)路信號(hào)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(hào)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(shí)間是實(shí)時(shí)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(shí)間。一旦可進(jìn)行采樣，它需要通過互連傳輸?shù)?a target="_blank">處理器并由處理器讀取，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(jì)算下一個(gè) PWM 步驟。

為了更大限度地減少計(jì)算時(shí)間，內(nèi)核需要較高的時(shí)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(shí)發(fā)生短路，最好在硬件級(jí)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(jí)別的控制環(huán)路延遲將面向包括 SiC 架構(gòu)的未來設(shè)計(jì)，。

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(jí) (ASIL) D 級(jí)要求。功能安全系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分是 MCU，因?yàn)樗枰?a href="http://wenjunhu.com/v/" target="_blank">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(gè)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(hào)對(duì)安全至關(guān)重要。因此，許多工程師更喜歡對(duì)相電流進(jìn)行冗余采樣，這意味著 MCU 必須具有多個(gè)獨(dú)立的 ADC。

快速響應(yīng)系統(tǒng)故障

工程師面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是在出現(xiàn)故障時(shí)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(huì)進(jìn)入到創(chuàng)新的可編程實(shí)時(shí)單元 (PRU)。在 PRU 中執(zhí)行的固件可以正確評(píng)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(shí)添加額外的自定義邏輯來滿足他們的應(yīng)用要求。

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(dòng)汽車的生產(chǎn)，設(shè)計(jì)趨勢(shì)將轉(zhuǎn)向 SiC 和 800V 技術(shù)，同時(shí)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(duì)于幫助汽車工程師設(shè)計(jì)下一代電動(dòng)汽車至關(guān)重要。