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 Toyota Prius、Chevrolet Bolt EV、Ford Focus Electric、VW e-Golf、BMW iX3 等等。

图 3-1 牵引逆变器系统方框图