MCU 面临 800V 电动汽车牵引逆变器的 3 种挑战

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。

随着越来越多的电动汽车生产，设计趋势将转向SiC和800V技术，需要提高电机控制性能并满足牵引逆变器的功能安全要求。随着世界走向电气化，性能和效率的创新对于帮助汽车工程师设计下一代电动汽车至关重要。