ZHCT522 May 2024 AM263P2-Q1 , AM263P4-Q1 , UCC14141-Q1 , UCC5880-Q1
在實施電子驅(qū)動系統(tǒng)過程中，針對設(shè)計要求和目標(biāo)截然不同的車輛進行設(shè)計時，一種方法是創(chuàng)造可擴展的模塊化電機系統(tǒng)。
這些電機系統(tǒng)需要具有高功率密度、極其緊湊的外形，并且提供高性能。EMPEL Systems 的目標(biāo)是盡可能將牽引逆變器與電機集成，并使所有元件盡可能小。從各種電機直徑到逆變器的相電流要求和相位數(shù)，設(shè)計如圖 1 中所示的模塊化電機系統(tǒng)可為汽車制造商帶來靈活性，并可以在縮短產(chǎn)品上市時間的同時節(jié)省成本。
圖 1 模塊化汽車 xEV 驅(qū)動系統(tǒng)不斷發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)
下一代牽引逆變器將需要更多的控制、更高的性能和更復(fù)雜的感應(yīng)功能。一方面是為了實現(xiàn)更高的性能和對電機扭矩和電氣特性的更好控制，另一方面是為了支持更深層次的系統(tǒng)監(jiān)控和診斷。除了出色的性能之外，如圖 2 中所示的逆變器即使在重要子系統(tǒng)遇到問題時也應(yīng)該能夠提供扭矩。
圖 2 具有集成式 EMPEL Lightning 逆變器的
EM250x75 500kW 電子模塊實現(xiàn)這些目標(biāo)需要一個電力電子系統(tǒng)（包括柵極驅(qū)動器、電源和微控制器 (MCU)），該系統(tǒng)可以根據(jù)車輛所需的相數(shù)和千瓦數(shù)進行擴展，同時提供功能安全上的智能性和彈性。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使得只需修改逆變器內(nèi)的電源即可滿足單個電機相數(shù)的要求。現(xiàn)在，這些技術(shù)讓您可以更改系統(tǒng)的相數(shù)和額定值，無論系統(tǒng)是在絕緣柵雙極晶體管、碳化硅 (SiC) 還是在多種半導(dǎo)體技術(shù)上運行。
使用半導(dǎo)體實現(xiàn)控制和精度
下一代電機還需要以更快的速度運轉(zhuǎn)。雖然可以使用更大型且扭矩更高的機器來實現(xiàn)更高的功率，但實現(xiàn)這些需要銅、電工鋼、鋁和電力電子器件，因而會對環(huán)境造成重大影響。更大型的電機還會使車輛變得更重，并且需要更多空間。
高速度、高性能電機通過更高的轉(zhuǎn)速（因此通常對應(yīng)著更高的電氣頻率）提供性能，比傳統(tǒng)電機更快地將能量“泵送”進出電機定子線圈，從而實現(xiàn)其功率和緊湊性。但同樣，對驅(qū)動這些電機的半導(dǎo)體（MCU、電源和柵極驅(qū)動器）也有著嚴(yán)格的要求。
下一代系統(tǒng)中的 MCU 需要在支持超過 25,000rpm 的 40kHz 頻率下進行控制切換并且需要多臺三相機器，同時將大部分處理能力用于監(jiān)控系統(tǒng)健康診斷、性能優(yōu)化算法和傳感器優(yōu)化。TI 的 AM263P4 Arm? Cortex?-R MCU 能夠在不到 4μs 的時間內(nèi)完成以 20kHz 運行的逆變器控制循環(huán)。集成的分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn) 0.05 度以內(nèi)的高角度精度，從而降低牽引逆變器反電動勢以提高系統(tǒng)效率，而三角函數(shù)加速器可將計算性能提高 5 倍。
該輔助電源可最大限度地降低電機內(nèi) SiC 電源模塊的傳導(dǎo)功率損耗，從而有助于實現(xiàn)高效率。TI 的 UCC14141-Q1 隔離式直流/直流電源模塊集成了控制器、功率級、變壓器、整流器和反饋監(jiān)控邏輯，使得 EMPEL 解決方案所展示的小型模塊化方法成為可能。UCC14141-Q1 模塊可以調(diào)整 SiC 場效應(yīng)晶體管 (FET) 的正負(fù)柵極驅(qū)動電壓，而其 1% 的電壓精度有助于將 SiC FET 導(dǎo)通功率損耗保持在較低水平，從而延長電池運行時間，進而延長車輛的行駛里程。UCC14141-Q1 體積小、重量輕且重心低，有助于降低車輛生命周期內(nèi)的機械應(yīng)力，與采用傳統(tǒng)分立式變壓器的解決方案相比，可提高振動耐受性。
柵極驅(qū)動器必須同時具備：智能；按每個脈寬調(diào)制周期進行柵極驅(qū)動強度控制；通過串行外設(shè)接口實現(xiàn)可配置性；利用 SiC 技術(shù)實現(xiàn)高開關(guān)速度；快速過流保護；以及可確保系統(tǒng)級安全性達(dá)到汽車安全完整性等級 D 的一系列故障管理功能。UCC5880-Q1 符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的隔離式柵極驅(qū)動器解決了這些具體的設(shè)計難題，并且附帶設(shè)計支持工具，可實現(xiàn)用于系統(tǒng)驗證的快速原型設(shè)計。圖 3 展示了電源模塊上的 UCC14141-Q1 偏置模塊和 UCC5880-Q1 柵極驅(qū)動器。
圖 3 電源模塊上安裝了 UCC5880-Q1 和
UCC14141-Q1 的柵極驅(qū)動器印刷電路板能夠經(jīng)受惡劣環(huán)境
在某些測試環(huán)境中，系統(tǒng)可能會經(jīng)歷 30G 至 50G 的循環(huán)振動和超過 300°F 的局部溫度。在插電式混合動力電動汽車中，高功率發(fā)動機可能會增加額外的振動和熱源。此類系統(tǒng)需要滿足防護等級 (IP) 67 標(biāo)準(zhǔn)并完全密封，同時可在高達(dá) 6000 米的海拔高度承受內(nèi)部壓力變化。將電機中的電子器件封裝在帶有抗振底座的盒子中需要很大的空間，并會增加連接和集成電子器件與電機的復(fù)雜性和成本。
為了提供緊密集成的牽引逆變器系統(tǒng)，我們的目標(biāo)是使逆變器尺寸盡可能小，質(zhì)量盡可能輕。與傳統(tǒng)變壓器相比，逆變器的緊湊和固態(tài)性質(zhì)有助于消除振動和環(huán)境薄弱點。不過，這也意味著能量損耗將作用于更小的熱質(zhì)量。在這樣的空間里，電子器件及其周圍的元件可能會變得更熱，同時仍需要滿足高壓爬電距離和間隙的要求。系統(tǒng)設(shè)計人員將需要打造可靠性盡可能高的系統(tǒng)來承受這些條件，同時盡可能減少器件數(shù)量和組裝復(fù)雜性。這是一個令人興奮的驅(qū)動系統(tǒng)問題，與之前的內(nèi)燃機相比，方方面面都很好。
結(jié)語
汽車制造商始終關(guān)注一個主要目標(biāo)，就是為駕駛員提供具有吸引力和競爭力的產(chǎn)品，其中基本的一點是為他們提供更多的車輛內(nèi)部空間。縱觀目前在售的現(xiàn)代電動汽車，我們通常會看到一個裝有所有電子器件的鋁制大盒子，這些電子器件的尺寸通常相當(dāng)于在汽車中放了一件大行李。從根本上說，車輛讓人們能夠擁有一個在世界各地移動的個人空間。因此，在滿足我們所談到的所有其他性能和改進目標(biāo)的同時，在同等價位的情況下，為駕駛員和乘客提供更大的空間非常重要。
非常緊湊、可靠的電力電子技術(shù)和功能增強等技術(shù)突破對于幫助設(shè)計人員簡化電子驅(qū)動系統(tǒng)并節(jié)省車輛空間和成本至關(guān)重要。汽車行業(yè)的前途一片光明，下一代智能牽引驅(qū)動系統(tǒng)有望進一步突破。
其他資源
- 了解有關(guān) EMPEL Systems 的更多信息。
- 了解 TI 元件如何幫助創(chuàng)造高性能牽引逆變器。