：本技术探讨了牵引逆变器的主要系统趋势、架构和技术。此外，还介绍了用于启用牵引逆变器的器件和技术，包括隔离、高压域和低压域技术。最后，本文档重点介绍系统工程概念和设计，以缩短牵引逆变器的设计时间。
牵引逆变器是电动汽车 (EV) 传动系统的核心。因此，逆变器在提高全球电动汽车的采用率方面发挥着至关重要的作用。牵引电机通过将电池或发电机的直流电源转换为交流电源来提供出色的扭矩和加速度，从而为永磁机器 (PMSM)、感应电机 (IM)、外部励磁同步电机 (EESM) 和开关磁阻电机 (SRM) 等牵引驱动电机供电。牵引逆变器还转换电机的回收能量，并在车辆滑行或制动时对电池充电。
• 功能安全和信息安全 – 功能安全设计通常遵循 ISO 26262 或电子安全车辆入侵保护应用流程，其中包括安全诊断；系统级失效模式和影响分析；失效模式、影响和诊断分析以及硬件安全模块 (HSM)。
• 重量和功率密度 – 宽带隙开关和动力总成集成是实现高功率密度逆变器设计的关键技术。例如，OEM 的逆变器功率密度目标是到 2025 年，在美国市场中达到 100kW/L。使用 SiC 可实现 800V 直流总线电压、降低额定 电流和减少线束。具有快速控制环路的 MCU 支持使用高速、更轻的电机和动力总成集成，例如与直流/直流转换器集成的逆变器。
• 性能和可靠性 – 通过电机扭矩控制、电流检测环路和电机扭矩瞬态响应来测量逆变器系统的性能。可靠性包括电源模块可靠性、电机可靠性和隔离等。
牵引逆变器的架构因车辆类型而异。插电式混合动力汽车 (PHEV) 和纯电动汽车 (BEV) 具有三相电压源逆变器拓扑，功率级别在 100kW 至 500kW 范围内。电池包可以直接连接到逆变器直流输入，也可以使用直流/直流升压转换器升高电池电压并为逆变器提供受控直流电压。
两级逆变器是电动汽车和业界常用的电源转换器，其功率范围为数十千瓦到数百千瓦。通常，开关频率范围为 5kHz 至 30kHz，目前，逆变器越来越受欢迎，因为该逆变器具有更高的功率容量（超过 300kW）、更高的 效率和更低的谐波失真，并允许使用更小的电磁干扰 (EMI) 滤波器。在许多拓扑中，中性点钳位和 T 型中性点钳位 (TNPC) 是极具竞争力的设计。图 2-1 所示为 TNPC 逆变器的示例。
第二个趋势是双电机架构。早在 2012 年，特斯拉就推出了 Model S，这是一款后轮驱动标准型豪华轿车，续航里程高达 426km，配备 85kWh 电池包。2014 年，特斯拉发布了 Model S 四驱版本，在前后轴上均配有电机。自那时起，各 OEM（例如 Chevy Volt PHEV、Toyota Prius HEV 和 Cadillac CT6 PHEV）纷纷实施双逆变器。
改进系统集成的第三个趋势是实现电子轴，将电力电子系统、电机和变速器组合在紧凑的系统外壳中。电子轴可提高电机性能，因为此设计可实现更高的扭矩和最高速度，例如 20k RPM。更好的冷却和线圈绕组结构可提高功率密度和电机效率。
牵引逆变器需要隔离技术、在低压域上实现的技术以及在高压域上实现的技术。隔离式栅极驱动器、数字隔离器、隔离式模数转换器和固态继电器中采用的 TI 电容隔离技术，可在使用二氧化硅作为电介质的电容电路中整合增强型信号隔离。图 3-1 显示了牵引逆变器系统示例。隔离栅（红色虚线）将低压域和高压域隔开。
在低压域中，微 (MCU) 向电源开关生成脉宽调制 (PWM) 信号。MCU 在闭环中运行感应和速度控制，并处理主机功能以满足强制的硬件和软件安全以及安全代码执行要求。此外，实施安全电源树可防止 MCU 和关键电源轨断电。连接到 12V 汽车电池的电源管理集成电路 (PMIC) 或系统基础芯片为 MCU 供电。MCU 与旋转变压器或霍尔效应传感器的模拟前端相连。
• 电源开关 – 通常基于碳化硅 (SiC) 或绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的电源模块，这些模块由具有保护和监控功能的隔离式栅极驱动器控制
• 隔离式栅极驱动器 - 允许数据和电力在高压和低压单元之间传输，同时可以防止任何危险的直流电或不受控制的瞬态电流从高压域中流出
• 有源放电 – 将直流总线电容器电压放电至安全电压。对于能够产生反电动势 (EMF) 的电机类型，需要进行有源放电。联合国欧洲经济委员会第 94 号联合国条例要求直流总线 秒内降至安全电压 (60V)。此外，还包含诊断电路，用于对关键功能执行自检，以防止系统失效。
逆变器控制和安全方案也因车辆类型而异。例如，可以使用永磁同步电机 (PMSM)，因为 PMSM 具有高效率、低扭矩纹波和宽速度范围。PMSM 通常使用空间矢量 PWM 控制，也称为场定向控制。通过控制定子电流来产生垂直于转子磁性元件的定子矢量，从而产生转矩。更新定子电流会使定子磁通矢量始终与转子磁体保持 90 度。PHEV 和 BEV 中的其他常用电机类型包括感应电机、外部励磁同步机器和开关磁阻机器。
为了减少使用昂贵的稀土永磁材料，外部励磁同步电机 (EESM) 不仅作为辅助轴，而且作为车辆的主轴动器，采用率不断增长。使用这种电机的目的是降低成本 - 例如，100kW 峰值功率需要大约 1.5kg 的磁体，并减少制造和维护工作量。EESM 机器类型包括导电 EESM 和电感 EESM (iEESM)。使用 EESM 的商用车辆包括 Toyota Prius、Chevrolet Bolt EV、Ford Focus Electric、VW e-Golf、BMW iX3 等等。
定义了逆变器架构和规格后，下一步是选择 MCU。TI 为 HEV 和 EV 应用提供了强大的微产品系列，包括基于 Arm®Cortex®R5F 的 Sitara 系列和具有实时控制功能和快速控制环路的高性能 C2000™ MCU 系列。
Sitara MCU 系列 中的 Arm Cortex-R5F 集群包含两个 R5F 内核。内核附带存储器，例如 L1 缓存和紧耦合存储器 (TCM)、标准 Arm CoreSight™ 调试和跟踪架构、集成矢量中断管理器 (VIM)、ECC 聚合器和各种其他模块。用于实时控制的加速器继承了经典 C2000 控制模块。该加速器包括：模数转换器 (ADC)、模拟比较器、缓冲数模转换器、增强型脉宽调制器 (EPWM)、增强型捕捉、增强型正交编码器脉冲、快速串行接口、Σ-Δ 滤波器模块和纵横制。其他优点包括：用于拆分安全分解的灵活锁步选项、硬件安全模块 (HSM)、带有 AUTOSAR 的 CAN-FD 支持。由 AM2634-Q1 控制的牵引逆变器系统方框图如图 4-1 所示。
Code Composer Studio™ 软件工程文件夹包含牵引逆变器演示代码。旋转变压器环路的实现方式如下：一个 PWM 通道设置为通过直接存储器存取和较高频率下的数模转换器 (DAC) 来触发旋转变压器激励信号的更新，而另外三个 PWM 通道会创建逆变器信号并生成 ADC SOC。来自 DAC 的旋转变压器激励信号将对齐到所需的 ADC 采样相位。多个 ADC 单元可以共享同一个片上系统 (SOC)。
20 多年来，TI C2000 MCU 系列一直在数字电源和电机控制应用中提供卓越的实时控制性能。这些 MCU 集成了闪存、模数转换器 (ADC)、数字信号处理器 (DSP) 和脉宽调制 (PWM) 单元，表现非常出色；例如 TMS320F28003x 和 TMS320F2837x。C2000 系列具有从独立逆变器到完全动力总成集成的各种特性，包括：牵引逆变器、车载充电器 (OBC)、高压直流/直流转换器、电池管理系统 (BMS)、暖通空调 (HVAC)、即将推出的能够每秒提供数亿条指令 (MIPS) 的 F29x 系列。
• 三角函数加速器 (TMU)，提供内在指令以支持变换和扭矩环路计算中常见的三角数学函数。使用基于 TMU 的指令可以显著减少周期计数。图 4-2 显示了通过 TMU 实现的牵引逆变器控制算法的改进。
TI 栅极驱动器隔离高达 5.7kVRMS，有助于防止电击，同时提供更高的工作电压以及更宽的爬电距离和间隙，从而提高系统可靠性。主要有两种隔离式栅极驱动器系列：智能驱动器 UCC21750-Q1 系列和安全驱动器 UCC5870-Q1 系列。UCC21750-Q1 系列包括牵引逆变器中电源模块的保护特性，例如快速过流和短路检测、分流电流检测支持、故障报告、有源米勒钳位、输入和输出侧电源欠压锁定检测。隔离式模拟至 PWM 传感器有助于更轻松地进行温度或电压检测。
• 功能安全合规型隔离式单通道栅极驱动器，支持高达 1kVRMS 的工作电压和超过 40 年的隔离栅寿命，并提供低器件间偏移和 100V/ns 的共模噪声抗扰度 (CMTI)
• 30A 的高峰值驱动强度，可更大限度地降低电源开关损耗并移除驱动电路上的缓冲器电路，从而降低成本。
• 温度传感器，用于监测电源模块的温度并允许在高达特定温度限制的条件下运行，从而帮助支持宽工作范围
提高牵引逆变器效率和降低 EMI 的一种方法是调整栅极驱动输出以控制压摆率，从而在温度、负载和电压等不同条件下改变开关速度。例如，当消耗电池电压时，瞬态电压 (dv/dt) 会自然变小，并且可以调节栅极驱动输出以使开关更快地转换。
图 5-3 和图 5-4 展示了基于 UCC5870-Q1 的可调栅极驱动实现方案。图 5-3 展示了设计图，而图 5-4 展示了设计板，该设计板连接到 WolfSpeed 公司的 XM3 半桥电源模块系列。
表 5-1 比较了在 400V 总线Ω 栅极电阻）和强驱动（0.5Ω 栅极电阻）之间的开关能量。
在牵引逆变器。
