MCU 面临 800V 电动汽车牵引逆变器的 3 种挑战-电子发烧友网

电动汽车 (EV) 牵引逆变器是电动汽车的核心。它将高压电池的直流电转换为多相（通常是三相）交流电来驱动牵引电机并控制制动能量的再生。电动汽车电子设备正在从 400V 架构转向 800V 架构，这正在逐步现实、普及，更高的电压会带来至少三个好处:

- 快速充电 - 在相同电流下提供双倍的电量。

- 通过使用碳化硅 (SiC) 提高效率和功率密度。

- 通过使用更细的电缆来减轻重量，从而减少 800V 相同额定功率所需的电流。

在牵引逆变器中，微控制器（MCU）是系统的大脑，通过模数转换器（ADC）执行电机控制、电压和电流采样，使用磁芯计算磁场定向控制（FOC）算法，使用脉宽调制 (PWM) 信号驱动功率场效应晶体管 (FET)。对于 MCU 而言，向 800V 牵引逆变器的转变带来了三个挑战。

- 需要较低延迟的实时控制性能。

- 增加了功能安全要求。

- 需要对系统故障进行快速响应。

实时控制，低延迟

为了控制牵引电机的扭矩和速度，MCU 使用外设（ADC、PWM）和计算核心的组合来完成控制环路。随着转向 800V 系统，牵引逆变器也正在转向宽带隙半导体（例如 SiC），因为它们在 800V 下的效率和功率密度大大提高。

为了实现 SiC 所需的更高开关频率，该控制环路延迟成为优先考虑的事项。低延迟控制环路还允许工程师以更高的速度运行电机，从而减小电机的尺寸和重量。要了解并减少控制环路延迟，您必须了解控制环路信号链及其各个阶段。

为了实现出色的实时控制性能，必须优化整个信号链，包括硬件和软件。从ADC采样（电机输入）到写入PWM（输出控制电机）所需的时间是实时控制性能的基本衡量标准。从ADC采样开始，逆变器系统需要准确、快速地采样，即实现高采样率、至少12位分辨率和低转换时间。

一旦采样可用，就需要通过互连传输到处理器并由处理器读取，并使用优化的总线和内存访问架构来减少延迟。在处理器中，核心需要使用FOC算法根据电机的相电流、速度和位置来计算下一个PWM步骤。

为了进一步减少计算时间，内核需要高时钟速率并且必须有效地执行特定数量的指令。此外，内核需要执行一系列指令类型，包括浮点、三角和整数数学指令。最后，内核再次使用低延迟路径将更新的占空比写入 PWM 生成器。对 PWM 输出应用死区补偿可防止在高侧和低侧 FET 之间切换时发生短路，并且最好在硬件级别应用，以减少软件开销。

提高功能安全要求

由于牵引逆变器提供控制电机的电力，因此它们本质上是功能安全且关键的系统。由于 800V 系统有可能提供更高的功率、扭矩、速度（或全部三项），因此牵引系统需要具有功能安全性，以满足汽车安全完整性等级 (ASIL) D 要求。功能安全系统的关键部分是 MCU，因为它需要做出智能决策以安全地响应系统故障。因此，使用经过 ASIL D 认证的 MCU 是一个重要的安全要素。

为了让工程师更轻松地满足牵引逆变器特定的系统安全要求，TI MCU 提供了附加功能。例如，相电流反馈指示有关电机扭矩的信息，这使得这些信号对安全至关重要。因此，许多工程师更喜欢对相电流进行冗余采样，这意味着 MCU 必须具有多个独立的 ADC。

对系统故障的快速响应

工程师面临的另一个挑战是在发生故障（例如电流更新）时能否快速将电机置于安全状态。在器件中，故障公共输入（过流、过压或高速故障）会发送至创新的可编程实时单元 (PRU)。

PRU 中执行的固件正确评估和响应故障类型并执行所需的 PWM 保护序列，然后根据需要将 PWM 直接置于安全状态。这些操作只需 105 纳秒即可完成。此外，由于固件是用户可编程的，工程师可以根据需要添加额外的自定义逻辑以满足其应用要求。