3 支持牽引逆變器的關(guān)鍵技術(shù)

牽引逆變器綜合了動力總成架構(gòu)的高壓部分（高壓電池側(cè)，400V 至 800+V）和低壓部分（低壓電池側(cè)，12V 至 48V）的功能。因此，牽引逆變器需要在低壓域和高壓域中的器件之間進(jìn)行隔離。隔離式柵極驅(qū)動器、數(shù)字隔離器、隔離式調(diào)制器和放大器以及固態(tài)繼電器中采用的 TI 電容和電感隔離技術(shù)，可在使用二氧化硅作為電介質(zhì)的電容電路中整合增強(qiáng)型信號隔離。圖 3-1 所示為牽引逆變器系統(tǒng)的方框圖。隔離柵（紅色虛線）將低壓域（低壓電池側(cè)）和高壓域（高壓電池側(cè)）隔開。

在低壓域中，微控制器 (MCU) 決定了如何驅(qū)動功率級。MCU 向隔離式柵極驅(qū)動器發(fā)送脈寬調(diào)制 (PWM) 信號，后者跨過內(nèi)部隔離柵將信號傳輸?shù)礁邏簜?cè)，以驅(qū)動功率級的柵極。為了將信號放大至大容量功率級所需的強(qiáng)度，隔離式柵極驅(qū)動器需要來自隔離式偏置電源的柵極電源電壓。MCU 在閉環(huán)中運(yùn)行感應(yīng)和速度控制，并處理主機(jī)功能以滿足強(qiáng)制的硬件和軟件安全要求以及安全代碼執(zhí)行要求。MCU 與旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)傳感器的模擬前端相連。

實(shí)施安全電源樹可防止 MCU 和關(guān)鍵電源軌斷電。連接到低壓汽車電池的電源管理集成電路 (PMIC) 為 MCU 供電。在到達(dá)隔離式偏置電源之前，低壓電池電壓可預(yù)調(diào)節(jié)至穩(wěn)定的電源電壓。此外，為了達(dá)到更高的安全級別，可以添加高壓轉(zhuǎn)低壓直流/直流電源，以通過 ORing 在低壓側(cè)提供電壓，即使在低壓電池或預(yù)調(diào)節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)也是如此。

圖 3-1 牽引逆變器系統(tǒng)方框圖

高壓域中的主要功能包括：

• 電源開關(guān) – 通常為基于碳化硅 (SiC) 或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的電源模塊，它們由具有保護(hù)和監(jiān)控功能（例如內(nèi)部溫度檢測和主動短路 (ASC) 保護(hù)）的隔離式柵極驅(qū)動器控制。
• 隔離式柵極驅(qū)動器 – 此 IC 從低壓側(cè) MCU 獲取 PWM 信號輸入，以驅(qū)動高壓側(cè)電源模塊的柵極。隔離式柵極驅(qū)動器跨內(nèi)部隔離柵傳輸該數(shù)字信號，并使用高壓側(cè)的信號來驅(qū)動電源模塊的柵極。同時(shí)，隔離式柵極驅(qū)動器可防止危險(xiǎn)的直流電或不受控制的瞬態(tài)電流從高壓域中流出。
• 隔離式偏置電源 – 電隔離電源，從低壓側(cè)獲取模擬輸入并將輸入傳輸?shù)礁邏簜?cè)，從而為柵極驅(qū)動器提供次級電源。其中，隔離式柵極驅(qū)動器將模擬電壓與 PWM 信號相結(jié)合，以驅(qū)動功率級柵極。
• 隔離式電壓和電流檢測 – 用以檢測直流鏈路電壓和電機(jī)相電流，并確保向電機(jī)施加正確的扭矩，同時(shí)用于電機(jī)控制環(huán)路。
• 位置感應(yīng) – 對于閉環(huán)控制滿足安全要求至關(guān)重要。對于位置控制，傳感器可實(shí)現(xiàn)對已知位置和整個(gè)運(yùn)動過程中位置的感應(yīng)。
• 有源放電 – 將直流鏈路電容器電壓放電至安全電壓。對于能夠產(chǎn)生反電動勢 (EMF) 的電機(jī)類型，需要進(jìn)行有源放電。聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會第 94 號聯(lián)合國條例要求直流母線電容器的電壓在 5 秒內(nèi)降至安全電壓 (60V)。此外，還包含診斷電路，用于對關(guān)鍵功能執(zhí)行自檢，以防止系統(tǒng)故障。

逆變器控制和安全方案也因車輛類型而異。例如，可以使用永磁同步電機(jī) (PMSM)，因?yàn)?PMSM 具有高效率、低扭矩紋波和寬速度范圍。PMSM 通常使用空間矢量 PWM 控制，也稱為場定向控制。PHEV 和 BEV 中的其他常用電機(jī)類型包括感應(yīng)電機(jī)、外部勵磁同步機(jī)器和開關(guān)磁阻機(jī)器。

為了減少永磁體中使用的潛在價(jià)格昂貴且因地緣政治因素而不穩(wěn)定的稀土材料，外部勵磁同步電機(jī) (EESM) 不僅在次車橋中的應(yīng)用增加，更是擴(kuò)展到了主車橋應(yīng)用。EESM 機(jī)器類型包括導(dǎo)電 EESM 和電感 EESM (iEESM)。使用 EESM 的商用車輛包括 Toyota? Prius?、Chevrolet? Bolt EV?、Ford? Focus Electric?、VW? e-Golf?、BMW? iX3? 等等。在 EESM 中，永磁轉(zhuǎn)子被替換為由單獨(dú)直流勵磁電流供電的電磁體，例如在添加到傳統(tǒng)逆變器結(jié)構(gòu)中的 H 橋配置中。此外，這樣可以動態(tài)控制轉(zhuǎn)子磁通，這是標(biāo)準(zhǔn)磁體無法實(shí)現(xiàn)的。