【導(dǎo)讀】踩下電動(dòng)汽車 (EV) 的踏板，即可獲得快速、平穩(wěn)的加速。我們對(duì)此已經(jīng)感到非常滿足了？當(dāng)然不。新型電動(dòng)汽車將擁有更高的性能和更長(zhǎng)的續(xù)航里程。由于電動(dòng)汽車將儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力，此類改進(jìn)發(fā)生在電氣層面，而不是牽引電機(jī)層面。牽引逆變器技術(shù)的新發(fā)展使其成為一個(gè)增長(zhǎng)領(lǐng)域。牽引逆變器可以管理從高壓電池包到電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換并推動(dòng)車輛。大多數(shù)電動(dòng)汽車的頭條新聞都集中在電池系統(tǒng)的創(chuàng)新上而往往忽略了牽引逆變器。
借助于 TI 具有帶實(shí)時(shí)控制功能的微處理器和隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，牽引逆變器的進(jìn)步正在進(jìn)一步推動(dòng)人們對(duì)電動(dòng)汽車性能升級(jí)的期望。更高的開關(guān)頻率可直接優(yōu)化可靠性、性能、重量和功率密度，也為采用更輕、更快的電機(jī)鋪平了道路。
新一代電動(dòng)汽車駕駛起來會(huì)更加有趣。TI 混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車牽引逆變器系統(tǒng)經(jīng)理 Xun Gong 說：“實(shí)際上，電力電子領(lǐng)域的創(chuàng)新正在超越機(jī)械方面的限制，促使我們即將達(dá)到機(jī)械限值。”
締造新的效率標(biāo)準(zhǔn)
從某些方面來看，目前電動(dòng)汽車已經(jīng)非常高效。電動(dòng)汽車的能源浪費(fèi)僅為典型燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的四分之一，但仍有很大的改進(jìn)空間。引擎蓋下的元件使用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)越好，意味著能夠可靠、無故障駕駛更長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)微控制器可以承擔(dān)更多功能時(shí)，便可減少電路數(shù)量和外殼重量，從而減小電動(dòng)汽車中整體電子系統(tǒng)的尺寸并減輕其重量。
TI 為用于嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境的高壓電機(jī)設(shè)計(jì)了工業(yè)控制器和功率集成電路 (IC)，并且能夠承受數(shù)十年的惡劣條件，這些經(jīng)驗(yàn)會(huì)告訴我們?nèi)绾螏椭蛻魬?yīng)對(duì)電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
TI 隔離柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用經(jīng)理 Audrey Dearien 說：“通過與工業(yè)客戶合作開發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，我們學(xué)到了很多系統(tǒng)級(jí)問題與解決方案，我們的產(chǎn)品從一開始就是為高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，以創(chuàng)新為基礎(chǔ)只為打造更好的牽引逆變器。”
為何碳化硅很重要
要推動(dòng)電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)更高的性能，非常重大的變化之一是牽引逆變器中使用的高壓功率開關(guān)從絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 向碳化硅 (SiC) 技術(shù)的轉(zhuǎn)變。因?yàn)?SiC 比 IGBT 更高效，可提高電池包儲(chǔ)存能量的利用率，所以這是一種自然的升級(jí)。此外，SiC 比 IGBT 更小，運(yùn)行溫度更低，進(jìn)一步減輕了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重量、縮小機(jī)械尺寸并減少了能源浪費(fèi)。
但轉(zhuǎn)變到 SiC 會(huì)帶來其他新的挑戰(zhàn)。與 IGBT 相比，SiC 更容易因短路而損壞，因此電動(dòng)汽車需要更加合適的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)來配合向 SiC 的遷移。
Audrey 說：“我們的柵極驅(qū)動(dòng)器可以快速檢測(cè)到短路，在不到百萬分之一秒的時(shí)間內(nèi)將其關(guān)閉，保護(hù)器件免受損壞。”
SiC 的開關(guān)速度非常快，這是貢獻(xiàn)其效率優(yōu)勢(shì)的一個(gè)原因，但這種高開關(guān)速度可能產(chǎn)生更高的的系統(tǒng)電噪聲，因此會(huì)錯(cuò)誤地觸發(fā)故障或啟動(dòng)電機(jī)。我們的柵極驅(qū)動(dòng)器通過降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲影響的安全功能來降低這種風(fēng)險(xiǎn)。
Audrey 說：“過去使用較慢的開關(guān)模塊，開關(guān)損耗只能降到一定水平。但使用 SiC 后您將獲得更高的開關(guān)速度，但同時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行有效控制。如果沒有高效并且可靠的開關(guān)，您將無法獲得 SiC 的全部?jī)?yōu)勢(shì)。”
支持更高的電動(dòng)汽車功率密度
牽引逆變器升級(jí)只是電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的一部分，其主要目標(biāo)是提高大功率電子系統(tǒng)的功率密度。這一改進(jìn)將使更小的電路板輸出更大能量，從而減小功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電機(jī)和牽引逆變器的尺寸并減輕其重量。
Xun 說：“功率密度提高后，汽車會(huì)變得更輕，因此您可以更快地實(shí)現(xiàn)加速，或者您可在車內(nèi)獲得更多的空間。”
集成動(dòng)力系統(tǒng)是提高功率密度的另一種方法。隨著模擬和嵌入式處理技術(shù)的進(jìn)步，汽車制造商能夠?qū)④囕d充電器、直流/直流轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器等單獨(dú)的系統(tǒng)組合到單個(gè)域控制器下的一個(gè)緊湊機(jī)械外殼中。通過集成動(dòng)力總成，汽車制造商可以將設(shè)計(jì)成本降低一半并且提高效率、可靠性和功率密度。同時(shí)，這也為駕駛員創(chuàng)造了更好的體驗(yàn)，包括更低的購(gòu)買或擁有成本、更長(zhǎng)的車輛壽命和更好的道路行駛性能。
新一代牽引逆變器通過提供以下特性提高了電動(dòng)汽車的效率和性能：
支持高壓 800V。當(dāng)今的大多數(shù)電動(dòng)汽車都使用 400V 電池包，但行業(yè)正在慢慢轉(zhuǎn)向 800V 電池包。800V 的電機(jī)能以每分鐘兩倍的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，但同時(shí)可能存在更高的能量損失和浪費(fèi)風(fēng)險(xiǎn)。TI 基于 Arm? 的高性能微控制器 (MCU) 和快速柵極驅(qū)動(dòng)器已準(zhǔn)備好迎接挑戰(zhàn)，其快速的電流環(huán)路控制可以以每百萬分之一秒調(diào)整一次電機(jī)的開關(guān)算法。
TI Sitara? MCU 產(chǎn)品線經(jīng)理 Mike Pienovi 說：“隨著系統(tǒng)中功率級(jí)別的提高，任何低效率造成的損失都變得更加明顯。要利用這一新潛力，您需要讓微控制器具有低延遲、高精度傳感和控制，從而支持更高的開關(guān)頻率并更大限度地提高效率。”
上路安全。我們專有的隔離技術(shù)可以幫助汽車及其高壓電池在道路上安全運(yùn)行。此外，我們用于牽引逆變器和電機(jī)控制的汽車微控制器和其他元件均符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)，可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員達(dá)到最高 ASIL-D 的功能安全等級(jí)。
提高可靠性。我們的產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計(jì)可通過增強(qiáng)電容隔離、故障檢測(cè)和健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)（包括熱監(jiān)測(cè)和電壓監(jiān)測(cè)），來幫助延長(zhǎng)牽引逆變器和其他關(guān)鍵電動(dòng)汽車元件的使用壽命。這些診斷和元件檢查可為系統(tǒng)提供早期預(yù)警和措施選項(xiàng)，幫助汽車制造商降低關(guān)鍵元件的時(shí)基故障率。
當(dāng)這些功能全部實(shí)現(xiàn)后，新一代輕型、超高轉(zhuǎn)速電機(jī)可能會(huì)搶占大部分的頭條新聞，但了解情況的電動(dòng)汽車司機(jī)會(huì)明白，牽引逆變器的進(jìn)步才會(huì)使得大部分性能和可靠性升級(jí)成為可能。
本文為新系列“TI 牽引逆變器” 的首篇文章，后續(xù)我們將繼續(xù)為大家?guī)砀酄恳孀兤鞯南嚓P(guān)技術(shù)干貨。
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