電動汽車 (EV) 牽引逆變器是電動汽車的核心。它將高壓電池的直流電轉換為多相（通常是三相）交流電來驅動牽引電機并控制制動能量的再生。電動汽車電子設備正在從 400V 架構轉向 800V 架構，這正在逐步現實、普及，更高的電壓會帶來至少三個好處:

- 快速充電 - 在相同電流下提供雙倍的電量。

- 通過使用碳化硅 (SiC) 提高效率和功率密度。

- 通過使用更細的電纜來減輕重量，從而減少 800V 相同額定功率所需的電流。

在牽引逆變器中，微控制器（MCU）是系統的大腦，通過模數轉換器（ADC）執行電機控制、電壓和電流采樣，使用磁芯計算磁場定向控制（FOC）算法，使用脈寬調制 (PWM) 信號驅動功率場效應晶體管 (FET)。對于 MCU 而言，向 800V 牽引逆變器的轉變帶來了三個挑戰。

- 需要較低延遲的實時控制性能。

- 增加了功能安全要求。

- 需要對系統故障進行快速響應。

實時控制，低延遲

為了控制牽引電機的扭矩和速度，MCU 使用外設（ADC、PWM）和計算核心的組合來完成控制環路。隨著轉向 800V 系統，牽引逆變器也正在轉向寬帶隙半導體（例如 SiC），因為它們在 800V 下的效率和功率密度大大提高。

為了實現 SiC 所需的更高開關頻率，該控制環路延遲成為優先考慮的事項。低延遲控制環路還允許工程師以更高的速度運行電機，從而減小電機的尺寸和重量。要了解并減少控制環路延遲，您必須了解控制環路信號鏈及其各個階段。

為了實現出色的實時控制性能，必須優化整個信號鏈，包括硬件和軟件。從ADC采樣（電機輸入）到寫入PWM（輸出控制電機）所需的時間是實時控制性能的基本衡量標準。從ADC采樣開始，逆變器系統需要準確、快速地采樣，即實現高采樣率、至少12位分辨率和低轉換時間。

一旦采樣可用，就需要通過互連傳輸到處理器并由處理器讀取，并使用優化的總線和內存訪問架構來減少延遲。在處理器中，核心需要使用FOC算法根據電機的相電流、速度和位置來計算下一個PWM步驟。

為了進一步減少計算時間，內核需要高時鐘速率并且必須有效地執行特定數量的指令。此外，內核需要執行一系列指令類型，包括浮點、三角和整數數學指令。最后，內核再次使用低延遲路徑將更新的占空比寫入 PWM 生成器。對 PWM 輸出應用死區補償可防止在高側和低側 FET 之間切換時發生短路，并且最好在硬件級別應用，以減少軟件開銷。

提高功能安全要求

由于牽引逆變器提供控制電機的電力，因此它們本質上是功能安全且關鍵的系統。由于 800V 系統有可能提供更高的功率、扭矩、速度（或全部三項），因此牽引系統需要具有功能安全性，以滿足汽車安全完整性等級 (ASIL) D 要求。功能安全系統的關鍵部分是 MCU，因為它需要做出智能決策以安全地響應系統故障。因此，使用經過 ASIL D 認證的 MCU 是一個重要的安全要素。

為了讓工程師更輕松地滿足牽引逆變器特定的系統安全要求，TI MCU 提供了附加功能。例如，相電流反饋指示有關電機扭矩的信息，這使得這些信號對安全至關重要。因此，許多工程師更喜歡對相電流進行冗余采樣，這意味著 MCU 必須具有多個獨立的 ADC。

對系統故障的快速響應

工程師面臨的另一個挑戰是在發生故障（例如電流更新）時能否快速將電機置于安全狀態。在器件中，故障公共輸入（過流、過壓或高速故障）會發送至創新的可編程實時單元 (PRU)。

PRU 中執行的固件正確評估和響應故障類型并執行所需的 PWM 保護序列，然后根據需要將 PWM 直接置于安全狀態。這些操作只需 105 納秒即可完成。此外，由于固件是用戶可編程的，工程師可以根據需要添加額外的自定義邏輯以滿足其應用要求。

隨著越來越多的電動汽車生產，設計趨勢將轉向SiC和800V技術，需要提高電機控制性能并滿足牽引逆變器的功能安全要求。隨著世界走向電氣化，性能和效率的創新對于幫助汽車工程師設計下一代電動汽車至關重要。