透過快速電流感測反饋迴圈和高速控制器提高效率

改善 EV 駕駛體驗 (包括穩定的巡航控制、回應式加速和減速，以及更安靜的艙內體驗) 的其中一種方法，就是提高電流感測反饋迴圈的整體準確性和可靠性。此控制迴路是一種路徑，該路徑偵測到從牽引逆變器相位輸出的電流、透過隔離式精密放大器返回，再透過微控制器 (MCU) 進行處理。這一旅程最終導致訊號返回到牽引逆變器的控制輸出。最佳化馬達控制迴路可實現快速且精確的回饋，進而讓馬達能對速度或扭矩的變化做出快速反應。圖 1 中醒目標示的部分為馬達控制迴路。

如 圖 2 中所詳述，隔離式半導體零組件通常隔離牽引逆變器中的電源和控制電路。三個隔離放大器或調變器透過分流電阻測量馬達電流，並將訊號饋送到 MCU 的磁場定向控制 (FOC) 演算法。若要加快馬達速度，便需要更高頻寬的電流感測反饋迴圈，這表示同相電流必須儘速產生修改後的轉換器輸出。電流感測反饋迴圈的延遲是首要關鍵，特別是因為功率電晶體的切換頻率 (圖 1 中的絕緣柵雙極電晶體 [IGBT]/SiC MOSFET) 正在提升到數十千赫，並且控制訊號也必須逐週期改變脈衝寬度，以實現高轉速。高電流產生的雜訊也會影響迴路可靠性。

由於隔離放大器鄰近位於雜訊來源，因此其必須可靠運作，電源和控制電路之間的雜訊干擾也需盡可能壓低。因此在電流感測迴路中，必須在電源接地和訊號接地之間提供高瞬態雜訊抗擾度的電流隔離放大器。透過適當的零組件選擇，準確的電流感測迴路可以限制三相電流的諧波失真，進而在加速和煞車條件下支援平穩的馬達速度和扭力控制。電流感測迴路的準確性也有助於防止電氣損耗，並將行駛時的振動降到最低。像 AMC1300B-Q1 和 AMC1311B-Q1 之類的隔離式放大器，以及像 AMC1306M25 和 AMC1336 之類的隔離式調變器，都支援準確的電流和電壓量測，頻寬超過 200 kHz，延遲小於 2 µs，電流隔離具有超過 100 kV/µs 的共模瞬態抗擾度 (CMTI)。

MCU 必須藉由類比轉數位轉換器 (ADC) 對指定的三相電流量測值進行快速數位化量測，並透過主要演算法為牽引逆變器的輸出產生脈寬調變 (PWM)。馬達控制設計中經常使用的 FOC 演算法需要複雜的數學運算，例如快速傅立葉轉換 (FFT) 和三角運算。這提高了對處理頻寬的需求，尤其是對於 20 kHz 及更高的切換頻率。

分散 MCU 的功率負載非常重要，如此才能處理牽引逆變器的馬達控制和安全功能。高速 FOC 實作為 MCU 內的功率和處理能力提供了更多空餘空間，以處理馬達控制和功能安全特性。像 C2000™ TMS320F28377D、TMS320F28386D、TMS320F280039C 和 Sitara™ AM2634-Q1 之類的即時 MCU，可藉由 >3-MSPS ADC 的協助，有效提供快速控制迴路性能，用於感測和處理多個最佳化核心的功率，以快速執行複雜的控制數學運算。用於致動的緊密整合高解析度 PWM 有助於產生精確的工作週期，以最佳化馬達控制。當針對牽引逆變器進行最佳化時，這些階段 (ADC 輸入、FOC 演算法執行和 PWM 寫入) 結合可達到 <4-µs 控制迴路延遲。