電動汽車 (EV) 牽引逆變器是電動汽車的核心。它將高壓電池的直流電轉(zhuǎn)換為多相（通常為三相）交流電以驅(qū)動牽引電機,，并控制制動產(chǎn)生的能量再生,。電動汽車電子產(chǎn)品正在從 400V 轉(zhuǎn)向 800V 架構(gòu)，這有望實現(xiàn)：

· 快速充電 – 在相同的電流下提供雙倍的功率,。

· 通過利用碳化硅 (SiC) 提高效率和功率密度。

· 通過使用更細的電纜減少相同額定功率下 800V 電壓所需的電流,，從而減輕重量,。

在牽引逆變器中，微控制器 (MCU) 是系統(tǒng)的大腦，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進行電機控制,、電壓和電流采樣,，使用磁芯計算磁場定向控制 (FOC) 算法，并使用脈寬調(diào)制 (PWM) 信號驅(qū)動功率場效應(yīng)晶體管 (FET),。對于 MCU,，向 800V 牽引逆變器的轉(zhuǎn)變對其帶來了三個挑戰(zhàn)：

· 更低延遲的實時控制性能需求。

· 增加了功能安全要求,。

· 需要快速響應(yīng)系統(tǒng)故障,。

在本文中，我們將討論基于 Arm? 的 Sitara? AM2634-Q1 和 C2000? MCU 等器件如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn),。

更低延遲的實時控制

為了控制牽引電機的扭矩和速度,，MCU 使用外設(shè)（ADC、PWM）和計算內(nèi)核的組合來完成控制環(huán)路,。隨著轉(zhuǎn)向 800V 系統(tǒng),，牽引逆變器也轉(zhuǎn)向?qū)拵栋雽?dǎo)體（例如 SiC），因為它們在 800V 時大大提高了效率和功率密度,。為了實現(xiàn) SiC 所需的更高開關(guān)頻率,，這種控制環(huán)路延遲成為優(yōu)先事項。低延遲控制環(huán)路還使工程師能夠以更高的轉(zhuǎn)速運行電機,，從而減小電機的尺寸和減輕重量,。要了解并縮短控制環(huán)路延遲，您必須了解控制環(huán)路信號鏈及其各個階段,，如圖 1 所示,。

為獲得出色的實時控制性能，您必須優(yōu)化整個信號鏈,，包括硬件和軟件,。從 ADC 采樣（來自電機的輸入）到寫入 PWM（輸出以控制電機）所花費的時間是實時控制性能的基本衡量標準。從 ADC 采樣開始,，逆變器系統(tǒng)需要準確快速的采樣,，即實現(xiàn)高采樣率、至少 12 位分辨率和低轉(zhuǎn)換時間,。一旦可進行采樣,，它需要通過互連傳輸?shù)教幚砥鞑⒂商幚砥髯x取，并優(yōu)化的總線和內(nèi)存訪問架構(gòu)縮短延遲,。在處理器中,，內(nèi)核需要使用 FOC 算法根據(jù)電機的相電流、速度和位置計算下一個 PWM 步驟,。

為了更大限度地減少計算時間,，內(nèi)核需要較高的時鐘速率并且必須高效地執(zhí)行特定數(shù)量的指令,。此外，內(nèi)核需要執(zhí)行一系列指令類型,，包括浮點,、三角和整數(shù)數(shù)學指令。最后,，內(nèi)核再次使用低延遲路徑將更新后的占空比寫入 PWM 發(fā)生器,。在 PWM 輸出上應(yīng)用

死區(qū)補償將防止在切換高側(cè)和低側(cè) FET 時發(fā)生短路，最好在硬件級別應(yīng)用以減少軟件開銷,。

TI MCU 的牽引逆變器控制環(huán)路延遲低至 2.5μs,，AM2634-Q1 的延遲小于 4μs,。這種級別的控制環(huán)路延遲將面向包括 SiC 架構(gòu)的未來設(shè)計,。

增加功能安全要求

由于牽引逆變器提供電力來控制電機，因此它們本質(zhì)上是功能安全型關(guān)鍵系統(tǒng),。由于 800V 系統(tǒng)有可能提供更高的功率,、扭矩、速度（或三者兼而有之）,，因此牽引系統(tǒng)需要功能安全達到汽車安全完整性等級 (ASIL) D 級要求,。功能安全系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部分是 MCU，因為它需要智能地做出安全響應(yīng)系統(tǒng)故障的決策,。因此,，使用通過 ASIL D 認證的MCU是一個重要的安全元素。

為了讓工程師更輕松地滿足特定于牽引逆變器的系統(tǒng)安全要求,，TI MCU 提供了額外的功能,。例如，相電流反饋表示有關(guān)電機扭矩的信息,，這使得這些信號對安全至關(guān)重要,。因此，許多工程師更喜歡對相電流進行冗余采樣,，這意味著 MCU 必須具有多個獨立的 ADC,。

快速響應(yīng)系統(tǒng)故障

工程師面臨的另一個挑戰(zhàn)是在出現(xiàn)故障時能夠快速將電機置于安全狀態(tài)，例如續(xù)流,。在 AM2634-Q1 器件中,，故障通用輸入（用于過流、過壓或高速故障）會進入到創(chuàng)新的可編程實時單元 (PRU),。在 PRU 中執(zhí)行的固件可以正確評估和響應(yīng)故障類型并執(zhí)行所需的 PWM 保護序列,，如圖 2 所示，然后根據(jù)需要直接將 PWM 置于安全狀態(tài),。這些操作發(fā)生在短短 105ns 內(nèi),。此外,，由于固件是用戶可進行編程的，因此工程師可以在必要時添加額外的自定義邏輯來滿足他們的應(yīng)用要求,。

隨著越來越多電動汽車的生產(chǎn),，設(shè)計趨勢將轉(zhuǎn)向 SiC 和 800V 技術(shù)，同時需要提高電機控制性能并滿足牽引逆變器的功能安全要求,。隨著世界朝著電氣化方向發(fā)展,，性能和效率方面的創(chuàng)新對于幫助汽車工程師設(shè)計下一代電動汽車至關(guān)重要。