具有卓越性能的电动汽车牵引逆变器设计优先事项白皮书2023

www.ti.com.cn目录 TechnicalWhitePaper 具有卓越性能的 电动汽车牵引逆变器设计优先事项 XunGongSystemsManager,HEV/EVTractionInverter 摘要 本技术白皮书探讨了牵引逆变器的主要系统趋势、架构和技术。此外，还介绍了用于启用牵引逆变器的器件和技术，包括隔离、高压域和低压域技术。最后，本文档重点介绍系统工程概念和设计，以缩短牵引逆变器的设计时间。 内容 1引言2 2架构和趋势3 3支持牵引逆变器的关键技术4 4微控制器5 4.1Sitara系列5 4.2实时控制MCU6 5隔离式栅极驱动器7 6低压偏置电源9 7高压偏置冗余电源10 8直流链路有源放电10 9转子位置感应11 10隔离式电压和电流检测12 11系统工程和参考设计12 12结论13 13参考文献13 插图清单 图2-1.三级T型逆变器3 图3-1.牵引逆变器系统方框图4 图4-1.采用AM2634-Q1的牵引逆变器系统方框图5 图4-2.牵引逆变器控制的TMU改进6 图5-1.UCC5870-Q1栅极驱动强度7 图5-2.竞争器件栅极驱动强度7 图5-3.具有可调节栅极驱动实现的UCC5870-Q1设计图8 图5-4.具有可调节栅极驱动实现的UCC5870-Q1设计板8 图5-5.使用5.5Ω栅极电阻器的弱驱动8 图5-6.使用0.5Ω栅极电阻器的强驱动8 图6-1.UCC14240-Q1EVM板9 图8-1.基于智能AFE的直流链路有源放电10 图8-2.测试波形10 表格清单 表5-1.400V总线电压下的开关能量比较8 表5-2.800V总线电压下的开关能量比较9 商标 C2000™,CodeComposerStudio™,andLaunchPad™aretrademarksofTexasInstruments. Arm®andCortex®areregisteredtrademarksofArmLimited. 所有商标均为其各自所有者的财产。 1引言 牵引逆变器是电动汽车(EV)传动系统的核心。因此，逆变器在提高全球电动汽车的采用率方面发挥着至关重要的作用。牵引电机通过将电池或发电机的直流电源转换为交流电源来提供出色的扭矩和加速度，从而为永磁机器(PMSM)、感应电机(IM)、外部励磁同步电机(EESM)和开关磁阻电机(SRM)等牵引驱动电机供电。牵引逆变器还转换电机的回收能量，并在车辆滑行或制动时对电池充电。 在测量牵引逆变器的性能时，需要考虑几个关键的设计优先事项和权衡： •功能安全和信息安全–功能安全设计通常遵循ISO26262或电子安全车辆入侵保护应用流程，其中包括安全诊断；系统级失效模式和影响分析；失效模式、影响和诊断分析以及硬件安全模块(HSM)。 •重量和功率密度–宽带隙开关和动力总成集成是实现高功率密度逆变器设计的关键技术。例如，OEM的逆变器功率密度目标是到2025年，在美国市场中达到100kW/L。使用SiC可实现800V直流总线电压、降低额定电流和减少线束。具有快速控制环路的MCU支持使用高速、更轻的电机和动力总成集成，例如与直流/直流转换器集成的逆变器。 •效率–系统效率包括牵引逆变器效率、电机效率和再生制动模式下的逆变器效率。 •性能和可靠性–通过电机扭矩控制、电流检测环路和电机扭矩瞬态响应来测量逆变器系统的性能。可靠性包括电源模块可靠性、电机可靠性和隔离等。 •系统成本–除了电机和线束之外，主要元件包括： –EMI滤波器 –直流链路电容器 –汇流条 –MCU和控制电子产品 –电源模块和驱动级电子产品 –电流传感器 –逆变器壳体和冷却 2架构和趋势 牵引逆变器的架构因车辆类型而异。插电式混合动力汽车(PHEV)和纯电动汽车(BEV)具有三相电压源逆变器拓扑，功率级别在100kW至500kW范围内。电池包可以直接连接到逆变器直流输入，也可以使用直流/直流升压转换器升高电池电压并为逆变器提供受控直流电压。 两级逆变器是电动汽车和业界常用的电源转换器，其功率范围为数十千瓦到数百千瓦。通常，开关频率范围为5kHz至30kHz，目前，三级逆变器越来越受欢迎，因为该逆变器具有更高的功率容量（超过300kW）、更高的效率和更低的谐波失真，并允许使用更小的电磁干扰(EMI)滤波器。在许多拓扑中，中性点钳位和T型中性点钳位(TNPC)是极具竞争力的设计。图2-1所示为三级TNPC逆变器的示例。 图2-1.三级T型逆变器 第二个趋势是双电机架构。早在2012年，特斯拉就推出了ModelS，这是一款后轮驱动标准型豪华轿车，续航里程高达426km，配备85kWh电池包。2014年，特斯拉发布了ModelS四驱版本，在前后轴上均配有电机。自那时起，各OEM（例如ChevyVoltPHEV、ToyotaPriusHEV和CadillacCT6PHEV）纷纷实施双逆变器。 改进系统集成的第三个趋势是实现电子轴，将电力电子系统、电机和变速器组合在紧凑的系统外壳中。电子轴可提高电机性能，因为此设计可实现更高的扭矩和最高速度，例如20kRPM。更好的冷却和线圈绕组结构可提高功率密度和电机效率。 牵引逆变器功能的其他趋势包括： •提高功率级别和汽车安全完整性等级(ASIL)（100kW至500kW、ASILC至 ASILD） •随着开关瞬态电压的增加向800V技术转变 •轻松调整栅极驱动强度以减少过冲、优化效率并降低EMI •采用电感式位置感应技术而不是旋转变压器来降低成本 •将有源放电集成到栅极驱动器集成电路(IC)中，从而降低成本并节省空间 3支持牵引逆变器的关键技术 牵引逆变器需要隔离技术、在低压域上实现的技术以及在高压域上实现的技术。隔离式栅极驱动器、数字隔离器、隔离式模数转换器和固态继电器中采用的TI电容隔离技术，可在使用二氧化硅作为电介质的电容电路中整合增强型信号隔离。图3-1显示了牵引逆变器系统示例。隔离栅（红色虚线）将低压域和高压域隔开。 在低压域中，微控制器(MCU)向电源开关生成脉宽调制(PWM)信号。MCU在闭环中运行感应和速度控制，并处理主机功能以满足强制的硬件和软件安全以及安全代码执行要求。此外，实施安全电源树可防止MCU和关键电源轨断电。连接到12V汽车电池的电源管理集成电路(PMIC)或系统基础芯片为MCU供电。MCU与旋转变压器或霍尔效应传感器的模拟前端相连。 高压域中的主要功能包括： •电源开关–通常基于碳化硅(SiC)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)的电源模块，这些模块由具有保护和监控功能的隔离式栅极驱动器控制 •隔离式栅极驱动器-允许数据和电力在高压和低压单元之间传输，同时可以防止任何危险的直流电或不受控制 的瞬态电流从高压域中流出 •偏置电源–电隔离电源，从低压侧获取输入并向电源开关生成栅极驱动电压 •隔离式电压和电流检测–用以检测直流链路电压和电机相电流，并确保向电机施加正确的扭矩 •有源放电–将直流总线电容器电压放电至安全电压。对于能够产生反电动势(EMF)的电机类型，需要进行有源放电。联合国欧洲经济委员会第94号联合国条例要求直流总线电容器电压在5秒内降至安全电压(60V)。此外，还包含诊断电路，用于对关键功能执行自检，以防止系统失效。 逆变器控制和安全方案也因车辆类型而异。例如，可以使用永磁同步电机(PMSM)，因为PMSM具有高效率、低扭矩纹波和宽速度范围。PMSM通常使用空间矢量PWM控制，也称为场定向控制。通过控制定子电流来产生垂直于转子磁性元件的定子矢量，从而产生转矩。更新定子电流会使定子磁通矢量始终与转子磁体保持90度。PHEV和BEV中的其他常用电机类型包括感应电机、外部励磁同步机器和开关磁阻机器。 为了减少使用昂贵的稀土永磁材料，外部励磁同步电机(EESM)不仅作为辅助轴，而且作为车辆的主轴动器，采用率不断增长。使用这种电机的目的是降低成本-例如，100kW峰值功率需要大约1.5kg的磁体，并减少制造和维护工作量。EESM机器类型包括导电EESM和电感EESM(iEESM)。使用EESM的商用车辆包括ToyotaPrius、ChevroletBoltEV、FordFocusElectric、VWe-Golf、BMWiX3等等。 图3-1.牵引逆变器系统方框图 4微控制器 定义了逆变器架构和规格后，下一步是选择MCU。TI为HEV和EV应用提供了强大的微控制器产品系列，包括基于Arm®Cortex®R5F的Sitara系列和具有实时控制功能和快速控制环路的高性能C2000™MCU系列。 4.1Sitara系列 SitaraMCU系列中的ArmCortex-R5F集群包含两个R5F内核。内核附带存储器，例如L1缓存和紧耦合存储器(TCM)、标准ArmCoreSight™调试和跟踪架构、集成矢量中断管理器(VIM)、ECC聚合器和各种其他模块。用于实时控制的加速器继承了经典C2000控制模块。该加速器包括：模数转换器(ADC)、模拟比较器、缓冲数模转换器、增强型脉宽调制器(EPWM)、增强型捕捉、增强型正交编码器脉冲、快速串行接口、Σ-Δ滤波器模块和纵横制。其他优点包括：用于拆分安全分解的灵活锁步选项、硬件安全模块(HSM)、带有AUTOSAR的CAN-FD 支持。由AM2634-Q1控制的牵引逆变器系统方框图如图4-1所示。 CodeComposerStudio™软件工程文件夹包含牵引逆变器演示代码。旋转变压器环路的实现方式如下：一个PWM通道设置为通过直接存储器存取和较高频率下的数模转换器(DAC)来触发旋转变压器激励信号的更新，而另外三个PWM通道会创建逆变器信号并生成ADCSOC。来自DAC的旋转变压器激励信号将对齐到所需的ADC采样相位。多个ADC单元可以共享同一个片上系统(SOC)。 图4-1.采用AM2634-Q1的牵引逆变器系统方框图 4.2实时控制MCU 20多年来，TIC2000MCU系列一直在数字电源和电机控制应用中提供卓越的实时控制性能。这些MCU集成了闪存、模数转换器(ADC)、数字信号处理器(DSP)和脉宽调制(PWM)单元，表现非常出色；例如TMS320F28003x和TMS320F2837x。C2000系列具有从独立逆变器到完全动力总成集成的各种特性，包括：牵引逆变器、车载充电器(OBC)、高压直流/直流转换器、电池管理系统(BMS)、暖通空调(HVAC)、即将推出的能够每秒提供数亿条指令(MIPS)的F29x系列。 TIC2000MCU包含以下特性，可帮助加快牵引逆变器的控制算法： •基于状态机的32位浮点控制律加速器，能够独立于主DSP内核磁场定向控制执行代码 •此系列中的某些器件支持32位浮点运算或64位浮点运算 •三角函数加速器(TMU)，提供内在指令以支持变换和扭矩环路计算中常见的三角数学函数。使用基于TMU的指令可以显著减少周期计数。图4-2显示了通过TMU实现的牵引逆变器控制算法的改进。 •减少了复杂数学方程式中的Viterbi和循环冗余校验码运算的周期数 图4-2.牵引逆变器控制的TMU改进 5隔离式栅极驱动器 TI栅极驱动器隔离高达5.7kVRMS，有助于防止电击，同时提供更高的工作电压以及更宽的爬电距离和间隙，从而提高系统可靠性。主要有两种隔离式栅极驱动器系列：智能驱动器UCC21750-Q1系列和安全驱动器UCC5870-Q1系列。UCC21750-Q1系列包括牵引逆变器中电源模块的保护特性，例如快速过流和短路检测、分流电流检测支持、故障报告、有源米勒钳位、输入和输出侧电源欠压锁定检测。隔离式模拟至PWM传感器有助于更轻松地进行温度或电压检测。 UCC5870-Q1驱动器系列包括以下功能： •功能安全合规型隔离式单通道栅极驱动器，支持高达1kVRMS的工作电压和超过40年的隔离栅寿命，并提供低器件间偏移和>100V/ns的共模噪声抗扰度(CMTI) •30A的高峰值驱动强度，可更大限度