3 支持牽引逆變器的關鍵技術

牽引逆變器綜合了動力總成架構的高壓部分（高壓電池側，400V 至 800+V）和低壓部分（低壓電池側，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，可在使用二氧化硅作為電介質(zhì)的電容電路中整合增強型信號隔離。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）和高壓域（高壓電池側）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)礁邏簜龋则?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)中運行感應和速度控制，并處理主機功能以滿足強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)變壓器或霍爾效應傳感器的模擬前端相連。

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

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 – 通常為基于碳化硅 (SiC) 或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的電源模塊，它們由具有保護和監(jiān)控功能（例如內(nèi)部溫度檢測和主動短路 (ASC) 保護）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 MCU 獲取 PWM 信號輸入，以驅(qū)動高壓側電源模塊的柵極。隔離式柵極驅(qū)動器跨內(nèi)部隔離柵傳輸該數(shù)字信號，并使用高壓側的信號來驅(qū)動電源模塊的柵極。同時，隔離式柵極驅(qū)動器可防止危險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，從低壓側獲取模擬輸入并將輸入傳輸?shù)礁邏簜?，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相電流，并確保向電機施加正確的扭矩，同時用于電機控制環(huán)路。
• 位置感應 – 對于閉環(huán)控制滿足安全要求至關重要。對于位置控制，傳感器可實現(xiàn)對已知位置和整個運動過程中位置的感應。
• 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) 的電機類型，需要進行有源放電。聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會第 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 (PMSM)，因為 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 中的其他常用電機類型包括感應電機、外部勵磁同步機器和開關磁阻機器。

為了減少永磁體中使用的潛在價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 (EESM) 不僅在次車橋中的應用增加，更是擴展到了主車橋應用。EESM 機器類型包括導電 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)逆變器結構中的 H 橋配置中。此外，這樣可以動態(tài)控制轉(zhuǎn)子磁通，這是標準磁體無法實現(xiàn)的。