【導讀】踩下電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的踏板，即可獲得快速、平穩的加速。我們對此已經(jīng)感到非常滿(mǎn)足了？當然不。新型電動(dòng)汽車(chē)將擁有更高的性能和更長(cháng)的續航里程。由于電動(dòng)汽車(chē)將儲存的電能轉化為推進(jìn)力，此類(lèi)改進(jìn)發(fā)生在電氣層面，而不是牽引電機層面。牽引逆變器技術(shù)的新發(fā)展使其成為一個(gè)增長(cháng)領(lǐng)域。牽引逆變器可以管理從高壓電池包到電機的能量轉換并推動(dòng)車(chē)輛。大多數電動(dòng)汽車(chē)的頭條新聞都集中在電池系統的創(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動(dòng)器，牽引逆變器的進(jìn)步正在進(jìn)一步推動(dòng)人們對電動(dòng)汽車(chē)性能升級的期望。更高的開(kāi)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、更快的電機鋪平了道路。
新一代電動(dòng)汽車(chē)駕駛起來(lái)會(huì )更加有趣。TI 混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器系統經(jīng)理 Xun Gong 說(shuō)：“實(shí)際上，電力電子領(lǐng)域的創(chuàng )新正在超越機械方面的限制，促使我們即將達到機械限值?！?nbsp;
締造新的效率標準
從某些方面來(lái)看，目前電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)非常高效。電動(dòng)汽車(chē)的能源浪費僅為典型燃油發(fā)動(dòng)機的四分之一，但仍有很大的改進(jìn)空間。引擎蓋下的元件使用和系統設計越好，意味著(zhù)能夠可靠、無(wú)故障駕駛更長(cháng)時(shí)間。當微控制器可以承擔更多功能時(shí)，便可減少電路數量和外殼重量，從而減小電動(dòng)汽車(chē)中整體電子系統的尺寸并減輕其重量。
TI 為用于嚴苛工業(yè)環(huán)境的高壓電機設計了工業(yè)控制器和功率集成電路 (IC)，并且能夠承受數十年的惡劣條件，這些經(jīng)驗會(huì )告訴我們如何幫助客戶(hù)應對電動(dòng)汽車(chē)的設計挑戰。
TI 隔離柵極驅動(dòng)器應用經(jīng)理 Audrey Dearien 說(shuō)：“通過(guò)與工業(yè)客戶(hù)合作開(kāi)發(fā)電機驅動(dòng)器，我們學(xué)到了很多系統級問(wèn)題與解決方案，我們的產(chǎn)品從一開(kāi)始就是為高壓系統設計的，以創(chuàng )新為基礎只為打造更好的牽引逆變器?！?/p>
為何碳化硅很重要
要推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現更高的性能，非常重大的變化之一是牽引逆變器中使用的高壓功率開(kāi)關(guān)從絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 向碳化硅 (SiC) 技術(shù)的轉變。因為 SiC 比 IGBT 更高效，可提高電池包儲存能量的利用率，所以這是一種自然的升級。此外，SiC 比 IGBT 更小，運行溫度更低，進(jìn)一步減輕了驅動(dòng)系統的重量、縮小機械尺寸并減少了能源浪費。
但轉變到 SiC 會(huì )帶來(lái)其他新的挑戰。與 IGBT 相比，SiC 更容易因短路而損壞，因此電動(dòng)汽車(chē)需要更加合適的柵極驅動(dòng)技術(shù)來(lái)配合向 SiC 的遷移。
Audrey 說(shuō)：“我們的柵極驅動(dòng)器可以快速檢測到短路，在不到百萬(wàn)分之一秒的時(shí)間內將其關(guān)閉，保護器件免受損壞?！?/p>
SiC 的開(kāi)關(guān)速度非?？?，這是貢獻其效率優(yōu)勢的一個(gè)原因，但這種高開(kāi)關(guān)速度可能產(chǎn)生更高的的系統電噪聲，因此會(huì )錯誤地觸發(fā)故障或啟動(dòng)電機。我們的柵極驅動(dòng)器通過(guò)降低驅動(dòng)系統噪聲影響的安全功能來(lái)降低這種風(fēng)險。
Audrey 說(shuō)：“過(guò)去使用較慢的開(kāi)關(guān)模塊，開(kāi)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(kāi)關(guān)速度，但同時(shí)必須對其進(jìn)行有效控制。如果沒(méi)有高效并且可靠的開(kāi)關(guān)，您將無(wú)法獲得 SiC 的全部?jì)?yōu)勢?！?/p>
支持更高的電動(dòng)汽車(chē)功率密度
牽引逆變器升級只是電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展趨勢的一部分，其主要目標是提高大功率電子系統的功率密度。這一改進(jìn)將使更小的電路板輸出更大能量，從而減小功率轉換系統、電機和牽引逆變器的尺寸并減輕其重量。
Xun 說(shuō)：“功率密度提高后，汽車(chē)會(huì )變得更輕，因此您可以更快地實(shí)現加速，或者您可在車(chē)內獲得更多的空間?！?nbsp;
集成動(dòng)力系統是提高功率密度的另一種方法。隨著(zhù)模擬和嵌入式處理技術(shù)的進(jìn)步，汽車(chē)制造商能夠將車(chē)載充電器、直流/直流轉換器和牽引逆變器等單獨的系統組合到單個(gè)域控制器下的一個(gè)緊湊機械外殼中。通過(guò)集成動(dòng)力總成，汽車(chē)制造商可以將設計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，包括更低的購買(mǎi)或擁有成本、更長(cháng)的車(chē)輛壽命和更好的道路行駛性能。
新一代牽引逆變器通過(guò)提供以下特性提高了電動(dòng)汽車(chē)的效率和性能：
支持高壓 800V。當今的大多數電動(dòng)汽車(chē)都使用 400V 電池包，但行業(yè)正在慢慢轉向 800V 電池包。800V 的電機能以每分鐘兩倍的轉速運行，但同時(shí)可能存在更高的能量損失和浪費風(fēng)險。TI 基于 Arm? 的高性能微控制器 (MCU) 和快速柵極驅動(dòng)器已準備好迎接挑戰，其快速的電流環(huán)路控制可以以每百萬(wàn)分之一秒調整一次電機的開(kāi)關(guān)算法。
TI Sitara? MCU 產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理 Mike Pienovi 說(shuō)：“隨著(zhù)系統中功率級別的提高，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(kāi)關(guān)頻率并更大限度地提高效率?！?/p>
上路安全。我們專(zhuān)有的隔離技術(shù)可以幫助汽車(chē)及其高壓電池在道路上安全運行。此外，我們用于牽引逆變器和電機控制的汽車(chē)微控制器和其他元件均符合功能安全標準，可以幫助系統設計人員達到最高 ASIL-D 的功能安全等級。
提高可靠性。我們的產(chǎn)品和系統設計可通過(guò)增強電容隔離、故障檢測和健康狀態(tài)監測（包括熱監測和電壓監測），來(lái)幫助延長(cháng)牽引逆變器和其他關(guān)鍵電動(dòng)汽車(chē)元件的使用壽命。這些診斷和元件檢查可為系統提供早期預警和措施選項，幫助汽車(chē)制造商降低關(guān)鍵元件的時(shí)基故障率。
當這些功能全部實(shí)現后，新一代輕型、超高轉速電機可能會(huì )搶占大部分的頭條新聞，但了解情況的電動(dòng)汽車(chē)司機會(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成為可能。
本文為新系列“TI 牽引逆變器” 的首篇文章，后續我們將繼續為大家帶來(lái)更多牽引逆變器的相關(guān)技術(shù)干貨。
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