MCU解决800V电动汽车牵引逆变器的常见设计挑战的3种方式

图 1：控制环路信号链

    为获得出色的实时控制性能，您必须优化整个信号链，包括硬件和软件。从 ADC 采样（来自电机的输入）到写入 PWM（输出以控制电机）所花费的时间是实时控制性能的基本衡量标准。从 ADC 采样开始，逆变器系统需要准确快速的采样，即实现高采样率、至少 12 位分辨率和低转换时间。一旦可进行采样，它需要通过互连传输到处理器并由处理器读取，并优化的总线和内存访问架构缩短延迟。在处理器中，内核需要使用 FOC 算法根据电机的相电流、速度和位置计算下一个 PWM 步骤。

    为了更大限度地减少计算时间，内核需要较高的时钟速率并且必须高效地执行特定数量的指令。此外，内核需要执行一系列指令类型，包括浮点、三角和整数数学指令。，内核再次使用低延迟路径将更新后的占空比写入 PWM 发生器。在 PWM 输出上应用死区补偿将防止在切换高侧和低侧 FET 时发生短路，在硬件级别应用以减少软件开销。

    TI MCU 的牵引逆变器控制环路延迟低至 2.5s，AM2634-Q1 的延迟小于 4s。这种级别的控制环路延迟将面向包括 SiC 架构的未来设计，。

    由于牵引逆变器提供电力来控制电机，因此它们本质上是功能安全型关键系统。由于 800V 系统有可能提供更高的功率、扭矩、速度（或三者兼而有之），因此牵引系统需要功能安全达到汽车安全完整性等级 (ASIL) D 级要求。功能安全系统的一个关键部分是 MCU，因为它需要智能地做出安全响应系统故障的决策。因此，使用通过 ASIL D 的MCU是一个重要的安全元素。

    为了让工程师更轻松地满足特定于牵引逆变器的系统安全要求，TI MCU 提供了额外的功能。例如，相电流反馈表示有关电机扭矩的信息，这使得这些信号对安全至关重要。因此，许多工程师更喜欢对相电流进行冗余采样，这意味着 MCU 必须具有多个独立的 ADC。

    工程师面临的另一个挑战是在出现故障时能够快速将电机置于安全状态，例如续流。在 AM2634-Q1 器件中，故障通用输入（用于过流、过压或高速故障）会进入到创新的可编程实时单元 (PRU)。在 PRU 中执行的固件可以正确评估和响应故障类型并执行所需的 PWM 保护序列，如图 2 所示，然后根据需要直接将 PWM 置于安全状态。这些操作发生在短短 105ns 内。此外，由于固件是用户可进行编程的，因此工程师可以在必要时添加额外的自定义逻辑来满足他们的应用要求。