3 實現牽引逆變器的關鍵技術

牽引逆變器需要隔離技術、在低電壓域中採用的技術，以及在高電壓域中採用的技術。TI 在絕緣式閘極驅動器、數位隔離器、隔離式類比轉數位轉換器及固態繼電器中採用的電容隔離技術，將強化訊號隔離整合在電容電路中，並以二氧化矽作為介電質。圖 3-1 說明牽引逆變器系統的範例。隔離層 (紅色虛線) 將低電壓域及高電壓域分隔。

在低電壓域中，微控制器 (MCU) 會產生脈衝寬度調變 (PWM) 訊號至電源開關。MCU 會在封閉迴路中執行感測和速度控制，並處理主機功能以滿足強制性硬體和軟體安全性及安全程式碼執行的要求。此外，執行安全電源樹狀結構可防止 MCU 和重要電源軌斷電。連接至 12-V 汽車電池的電源管理積體電路 (PMIC) 或系統晶片可為 MCU 供電。MCU 會與解析器或霍爾效應感測器的類比前端介接。

高電壓域中的主要功能包括：

• 電源開關 – 通常為碳化矽 (SiC) 或絕緣閘極雙極電晶體 (IGBT) 型電源模組，由具備保護和監控功能的絕緣式閘極驅動器控制
• 絕緣式閘極驅動器 – 允許在高電壓與低電壓單元間進行資料與電源傳輸的隔離裝置，同時防止來自高電壓域的危險 DC 或未受控制暫態電流流動
• 偏壓電源 – 一種電氣隔離的電源供應器，可從低電壓側取得輸入並產生閘極驅動電壓至電源開關
• 隔離式電壓及電流感測 – 感測 DC 鏈路電壓及馬達相位電流，並確保在馬達上施加正確扭力
• 主動放電 – 將 DC 匯流排電容器電壓放電至安全電壓。可產生反電動勢 (EMF) 的馬達類型需要主動放電。聯合國歐洲經濟委員會第 94 號條例規定 DC 匯流排電容器電壓降至安全電壓 (60 V) 的時間不得超過 5 秒。此外也需包含診斷電路對重要功能執行自檢，以防止系統故障。

逆變器控制和安全方案也會因車輛類型而異。例如永磁同步馬達 (PMSM) 具有高效、低扭矩漣波和大速度範圍，因此可加以運用。PMSM 通常使用空間向量 PWM 控制，又稱爲磁場定向控制。以與轉子磁性垂直的定子向量方式控制定子電流將會產生扭力。更新定子電流會使定子通量向量一直保持在與轉子磁鐵呈 90 度的位置。PHEV 和 BEV 中其他常見的馬達類型包括感應馬達、外激式同步機及切換式磁阻機。

爲了減少昂貴的稀土材料永久磁鐵，外激式同步馬達 (EESM) 的使用逐漸增加，不僅可做爲車輛副軸，也可用作主軸移動裝置使用。使用此馬達的目標是降低成本 (例如 100-kW 的峰值功率約需 1.5 kg 磁鐵)，及減少製造與維護的工作量。EESM 機器類型包括傳導性 EESM 和感應式 EESM (iEESM)。使用 EESM 的商用車輛包括 Toyota Prius、Chevrolet Bolt EV、Ford Focus Electric、VW e-Golf、BMW iX3 等。