牵引逆变器:汽车创新与性能的相互交融

原创 德州仪器 2022-09-29 18:30

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踩下电动汽车 (EV) 的踏板,即可获得快速、平稳的加速。我们对此已经感到非常满足了?当然不。


新型电动汽车将拥有更高的性能和更长的续航里程。由于电动汽车将储存的电能转化为推进力,此类改进发生在电气层面,而不是牵引电机层面。牵引逆变器技术的新发展使其成为一个增长领域。牵引逆变器可以管理从高压电池包到电机的能量转换并推动车辆。大多数电动汽车的头条新闻都集中在电池系统的创新上而往往忽略了牵引逆变器。


借助于 TI 具有带实时控制功能的微处理器和隔离式栅极驱动器,牵引逆变器的进步正在进一步推动人们对电动汽车性能升级的期望。更高的开关频率可直接优化可靠性、性能、重量和功率密度,也为采用更轻、更快的电机铺平了道路。 


新一代电动汽车驾驶起来会更加有趣。TI 混合动力汽车/电动汽车牵引逆变器系统经理 Xun Gong 说:“实际上,电力电子领域的创新正在超越机械方面的限制,促使我们即将达到机械限值。” 

缔造新的效率标准

从某些方面来看,目前电动汽车已经非常高效。电动汽车的能源浪费仅为典型燃油发动机的四分之一,但仍有很大的改进空间。引擎盖下的元件使用和系统设计越好,意味着能够可靠、无故障驾驶更长时间。当微控制器可以承担更多功能时,便可减少电路数量和外壳重量,从而减小电动汽车中整体电子系统的尺寸并减轻其重量。


TI 为用于严苛工业环境的高压电机设计了工业控制器和功率集成电路 (IC),并且能够承受数十年的恶劣条件,这些经验会告诉我们如何帮助客户应对电动汽车的设计挑战。


TI 隔离栅极驱动器应用经理 Audrey Dearien 说:“通过与工业客户合作开发电机驱动器,我们学到了很多系统级问题与解决方案,我们的产品从一开始就是为高压系统设计的,以创新为基础只为打造更好的牵引逆变器。”

为何碳化硅很重要

要推动电动汽车实现更高的性能,非常重大的变化之一是牵引逆变器中使用的高压功率开关从绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 向碳化硅 (SiC) 技术的转变。因为 SiC 比 IGBT 更高效,可提高电池包储存能量的利用率,所以这是一种自然的升级。此外,SiC 比 IGBT 更小,运行温度更低,进一步减轻了驱动系统的重量、缩小机械尺寸并减少了能源浪费。


但转变到 SiC 会带来其他新的挑战。与 IGBT 相比,SiC 更容易因短路而损坏,因此电动汽车需要更加合适的栅极驱动技术来配合向 SiC 的迁移。


Audrey 说:“我们的栅极驱动器可以快速检测到短路,在不到百万分之一秒的时间内将其关闭,保护器件免受损坏。”

SiC 的开关速度非常快,这是贡献其效率优势的一个原因,但这种高开关速度可能产生更高的的系统电噪声,因此会错误地触发故障或启动电机。我们的栅极驱动器通过降低驱动系统噪声影响的安全功能来降低这种风险。 


Audrey 说:“过去使用较慢的开关模块,开关损耗只能降到一定水平。但使用 SiC 后您将获得更高的开关速度,但同时必须对其进行有效控制。如果没有高效并且可靠的开关,您将无法获得 SiC 的全部优势。”

支持更高的电动汽车功率密度

牵引逆变器升级只是电动汽车行业发展趋势的一部分,其主要目标是提高大功率电子系统的功率密度。这一改进将使更小的电路板输出更大能量,从而减小功率转换系统、电机和牵引逆变器的尺寸并减轻其重量。


Xun 说:“功率密度提高后,汽车会变得更轻,因此您可以更快地实现加速,或者您可在车内获得更多的空间。” 


集成动力系统是提高功率密度的另一种方法。随着模拟和嵌入式处理技术的进步,汽车制造商能够将车载充电器、直流/直流转换器和牵引逆变器等单独的系统组合到单个域控制器下的一个紧凑机械外壳中。通过集成动力总成,汽车制造商可以将设计成本降低一半并且提高效率、可靠性和功率密度。同时,这也为驾驶员创造了更好的体验,包括更低的购买或拥有成本、更长的车辆寿命和更好的道路行驶性能。


新一代牵引逆变器通过提供以下特性提高了电动汽车的效率和性能:


支持高压 800V。当今的大多数电动汽车都使用 400V 电池包,但行业正在慢慢转向 800V 电池包。800V 的电机能以每分钟两倍的转速运行,但同时可能存在更高的能量损失和浪费风险。TI 基于 Arm® 的高性能微控制器 (MCU) 和快速栅极驱动器已准备好迎接挑战,其快速的电流环路控制可以以每百万分之一秒调整一次电机的开关算法。 


TI Sitara™ MCU 产品线经理 Mike Pienovi 说:“随着系统中功率级别的提高,任何低效率造成的损失都变得更加明显。要利用这一新潜力,您需要让微控制器具有低延迟、高精度传感和控制,从而支持更高的开关频率并更大限度地提高效率。”


上路安全。我们专有的隔离技术可以帮助汽车及其高压电池在道路上安全运行。此外,我们用于牵引逆变器和电机控制的汽车微控制器和其他元件均符合功能安全标准,可以帮助系统设计人员达到最高 ASIL-D 的功能安全等级。


提高可靠性。我们的产品和系统设计可通过增强电容隔离、故障检测和健康状态监测(包括热监测和电压监测),来帮助延长牵引逆变器和其他关键电动汽车元件的使用寿命。这些诊断和元件检查可为系统提供早期预警和措施选项,帮助汽车制造商降低关键元件的时基故障率。


当这些功能全部实现后,新一代轻型、超高转速电机可能会抢占大部分的头条新闻,但了解情况的电动汽车司机会明白,牵引逆变器的进步才会使得大部分性能和可靠性升级成为可能。


本文为新系列“TI 牵引逆变器” 的首篇文章,后续我们将继续为大家带来更多牵引逆变器的相关技术干货。


如需获取更多在线技术支持,请访问 TI E2E™ 中文支持论坛 (e2echina.ti.com)。

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