電動車牽引逆變器效能大增　兼顧MCU/閘極驅動器/偏壓電源IC

牽引逆變器會將電動車電池的高電壓DC，轉換為電動馬達所需的AC。牽引逆變器控制馬達的速度和扭力，且其效率會直接對功率、散熱功能與電動車的行駛距離造成影響。圖1顯示牽引逆變器內最重要的其中數個零組件：微控制器(MCU)、隔離式閘極驅動器，以及隔離式偏壓電源晶片或模組。為了讓牽引逆變器達到較高的可靠性與效率，需要解決與前述三項元件相關的設計挑戰。

即時控制MCU

為了增加行駛距離並降低成本，因此需縮減電動車牽引逆變器的尺寸與重量，而這也為MCU帶來了新要求。縮減尺寸與重量的方法之一，是讓馬達以較高速度(>20kRPM)旋轉。但若要這麼做，就需要將控制迴路最佳化以實現低延遲，且從類比轉數位轉換器(ADC)讀取、磁場定向控制(FOC)運算，到脈衝寬度調變(PWM)寫入等，都包含在內。

市場上已有MCU可達到低控制迴路延遲的加速器與功能，其中更有部分是專為牽引逆變器所設計。產品如德州儀器(TI)的AM263P4-Q1 MCU上具有兩個這類加速器，分別為解角數位轉換器(RDC)和三角函數單元(TMU)。

RDC會轉換來自解角器感測器的正弦/餘弦回饋，並將其轉換為速度與位置。此運算作業會在專用硬體中進行，以加快轉換程序，並將此函數從主要核心卸載。其他內建至MCU中的診斷功能包括sin²＋cos²＝1檢查。結合這些診斷功能與兩個冗餘RDC，即可為需要滿足汽車安全完整性等級(ASIL)D的牽引逆變器，打造最佳的解決方案。

TMU協同處理器會與每個核心平行執行，並將三角函數從主要核心卸載，同時也可將這些函數的速度改善多達八倍。更高的速度可為牽引逆變器提供卓越的控制迴路優勢，因為大多數牽引逆變器控制迴路皆使用FOC演算法來實作需要三角函數的Clarke和Park轉換。

RDC和TMU加速器(包括控制子系統在內)可實現<3µs的即時控制延遲，因此可控制速度遠超過20kRPM的高速牽引逆變器馬達，所以也能縮減系統尺寸與重量。

採用符合功能安全的閘極驅動器

隨著牽引逆變器功率位準接近500kW，提升效率(降低駕駛週期中的能量損耗)也成為設計閘極驅動器時的主要考量。其他設計需求包括功率密度、重量、高度、功能安全與成本。

為了改善效率，業界廣泛採用碳化矽(SiC)場效應電晶體(FET)。而為這些開關供電的隔離式閘極驅動器越來越複雜，現在包括隔離式ADC感測、多種過電流保護模式、偏壓電源監控、閘極監控、可編程安全狀態、內建自我測試，以及稱為即時可變閘極驅動強度的新功能。

根據系統的安全需求而定，具備符合功能安全的閘極驅動器積體電路(IC)有助於讓系統符合國際標準化組織ISO 26262規範。例如，閘極驅動器可協助確保對單一故障和潛在故障的ASIL-D故障偵測率分別達≥99%和≥90%。

現代的閘極驅動器IC可透過電壓轉換速率控制方法(暫態電壓)，盡可能地快速開啟與關閉SiC FET，將「時間＝dt分量」降至最低，以減少開啟與關閉能源，因此可減少整體切換損耗。控制和改變閘極驅動電流強度的能力可大幅降低切換損耗，但代價是在切換期間，切換節點處的瞬態過衝會增加，如圖2所示。

即時可變閘極驅動強度可提供極大的彈性，將牽引逆變器設計最佳化，進而實現高效率並降低瞬態過衝。若檢視電動車電池充電週期，即可發現能夠透過降低SiC瞬態過衝並將效率最佳化，因為四分之三的充電週期皆可用於改善效率(圖3)。

符合功能安全規範的UCC5880-Q1閘極驅動器可透過4MHz雙向序列周邊介面(SPI)匯流排，以雙輸出、分離輸出結構與可變電流強度配置，協助提升效率。若是不想使用SPI匯流排在啟動時設定驅動強度，也可透過三個數位輸入針腳實現上述目標。

偏壓電源提高功率轉換效率

電動車需要牽引逆變器有效率地進行功率轉換，以在每個完整放電週期中，延長電池運作時間。隔離式閘極驅動器偏壓電源，是協助實現高效率的重要元件，因為其可將SiC電源模組的傳導功率損耗降至最低。將閘極電壓設定至可允許的最大位準，可降低汲極至源極導通電阻(R_DS(on))，同時也可確保可靠性(圖4)。降低R_DS(on)相當重要，因為當牽引逆變器中的電流達到與超過400A時，就會導致I_dson² R_DS(on)的傳導功率損耗過大。

TI隔離式DC/DC偏壓模組可將傳導損耗降至最低，而產品如UCC5880-Q1則可將切換損耗降至最低。正與負閘極驅動軌電壓都能以適用於SiC或IGBT驅動器的最高效率閘極電壓設定，輕鬆進行調整，且在完整操作條件(電壓、安全操作區電源、溫度與程序)中的準確度為<1.3%。閉合迴路回饋可提供高準確度的調節功能，以控制閘極驅動電壓，進而將SiC或隔離式閘極雙極電晶體模組的安全與效率提升至最高程度。

TI隔離式DC/DC偏壓模組提供高密度解決方案，整合隔離電源變壓器、一次側橋接器、二次側橋接器與控制邏輯。小型封裝體積可透過縮小>30%的印刷電路板面積、< 4mm的高度，以及省下30個以上離散式零組件，實現高效率的小型驅動解決方案，進而改善失效率(圖5)。

牽引逆變器效率提高

新一代牽引逆變器運作時的效率會提高5%之多，並且可實現更高的速度、更高的功率密度，同時縮減高度、重量與系統成本。隨著新製造商為了從市場領導者手中贏取市占率而推出新型號，電動車市場加速進化，而牽引逆變器也在這些領域中持續發展。

(本文作者皆任職於德州儀器)