电动汽车驱动系统的控制器硬件架构

以下文章来源于SysPro系统工程智库 ，作者SysPro系统工程

导语：前段时间有星友咨询，想了解电动汽车驱动系统的控制器(逆变器)硬件架构，今天我们借助Infineon主驱逆变器的硬件架构说明下这个问题。

下图是电动汽车主驱牵引逆变器系统硬件架构图。牵引逆变器是电动汽车中的关键组件，对于车辆的性能和效率具有决定性的影响，它负责调节电机的速度和扭矩，实现高效的能量转换，同时还具备促进再生制动功能，以便在车辆减速时为电池充电。为了提高整体系统性能并延长行驶里程，先进的牵引逆变器设计特别注重三点：高效率、低开关损耗以及出色的热管理。我计划用几篇文章，从核心组件、系统功能、安全特性、关键特征四个维度解释下这张图。今天我们先看看第一部分：核心组件。

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01核心组件

1.1 AURIX微控制器

我们先看看逆变器的核心控制单元：AURIX微控制器。Aurix是整个驱动系统的中央大脑，在电机控制系统中发挥着至关重要的作用。通过高性能计算与控制、精确控制电机运转、安全与可靠性、高效能源管理以及集成与可扩展性等方面的优势，为电机控制系统的设计和实施提供了强大的支持。具体来说说：

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一、高性能计算与控制

AURIX微控制器以其高性能的CPU内核和先进的架构，能够提供强大的计算能力。在电机控制系统中，这种高性能计算能力是必不可少的，因为它需要实时处理来自传感器的大量数据，并快速计算出控制策略，以确保电机的精确和高效运行。

二、精确控制电机运转

AURIX微控制器集成了多种外设和功能模块，如GTM(Generic Timer Module)等，这些模块专门设计用于电机控制。通过精确的时间管理和信号处理，AURIX微控制器能够实现电机的精确控制，包括转速、扭矩和位置的精确调节。这对于提高电机的运行效率和稳定性至关重要。

三、安全与可靠性

AURIX微控制器在安全性方面表现出色，它集成了硬件安全模块和先进的加密技术，能够保护电机控制系统免受外部攻击和内部故障的影响。此外，AURIX微控制器还支持多种安全标准和协议，为电机控制系统的设计和实施提供了可靠的安全保障。

四、高效能源管理

在电机控制系统中，能源管理是一个重要的考虑因素。AURIX微控制器通过其低功耗设计和先进的电源管理技术，能够有效地降低系统的能耗，提高能源利用效率。

五、集成与可扩展性

AURIX微控制器具有良好的集成性和可扩展性，它支持多种通信协议和接口，如CAN、LIN、FlexRay和以太网等。这使得AURIX微控制器能够轻松地与其他系统组件进行集成和通信，实现电机控制系统的整体优化和扩展。

1.2 Power Stage

接下来我们逆变器核心执行单元：Power stage，它主要负责将控制器输出的控制信号转换为电机所需的电力信号，有些公司也称其为Power Conversion，即DC/AC功率转换单元。这一过程包括电压和电流的转换，以及电能的传输和分配。通过精确控制power stage中的开关器件(如IGBT、MOSFET等)，可以实现电力转换与传输、精确控制电机运行、能量回收与利用以及提高系统可靠性与安全性等多重作用。

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一、电力转换与传输

以IGBT为例。IGBT具有高电压、大电流和高频率特性，使其成为电力传递和开关控制的理想选择。在电机控制系统中，IGBT能够将高压直流电(HVDC)转换为交流电(AC)，以满足电机的运行需求。这一转换过程是通过控制IGBT的开关状态来实现的，当IGBT处于开启状态时，电流可以从集电极流过;反之，当IGBT处于关断状态时，电流则无法通过。

二、精确控制电机运行

IGBT的快速开关速度使其能够在瞬时变化的电路环境中迅速切换，结合电机本体的特性，通过一定的标定，从而实现对电机运行的精确控制。电机控制系统通过控制IGBT的开关状态，可以精确地调节电机的各种运行状态，以提升电机的运行效率、降低能耗，并延长电机的使用寿命。

三、能量回收与利用

在电动车辆中，IGBT还负责在制动时将部分制动能量回收并存储到动力电池中。通过控制IGBT的开关状态，电机控制器可以将电机的发电能量转换为直流电，并将其存储到动力电池中，从而提高能量利用效率。这一功能有助于延长电动车辆的续航里程，并降低运行成本。

四、提高系统可靠性与安全性

IGBT具有高可靠性和长寿命的特点，能够在恶劣的工作环境下稳定运行。此外，IGBT还具备过流、过压和过热等保护功能，能够在检测到异常情况时及时切断电源或降低功率，以保护电机和整个控制系统的安全。这些特性有助于提高电机控制系统的可靠性和安全性，降低故障率和维修成本。

1.3 IGBT Driver IC

英飞凌IGBT Driver IC在电机控制系统中发挥着精确控制IGBT开关、提供电气隔离与保护、优化开关性能与降低损耗、提高系统稳定性与可靠性以及支持多种电机控制策略等多重作用。

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一、精确控制IGBT开关

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是电机控制系统中的核心功率器件，负责将电能转换为机械能。英飞凌IGBT Driver IC能够精确控制IGBT的开关状态，实现电机的高效、精确驱动。通过调节IGBT的门极电压和电流，Driver IC能够确保IGBT在开通和关断过程中具有稳定的电气特性，从而优化电机的运行效率和性能。

二、提供电气隔离与保护

在电机控制系统中，IGBT Driver IC通常具备电气隔离功能，能够将控制器与高压功率电路隔离开来，确保系统的安全性和可靠性。同时，Driver IC还集成了多种保护功能，如过流保护、过压保护和短路保护等，能够在检测到异常情况时及时切断电源或降低功率，以保护IGBT和整个控制系统的安全。

三、优化开关性能与降低损耗

英飞凌IGBT Driver IC采用了先进的驱动技术和电路设计，能够优化IGBT的开关性能，降低开关损耗和电磁干扰(EMI)。通过精确控制IGBT的开通和关断过程，Driver IC能够减少电压和电流的波动，从而降低功率损耗和热量产生。同时，Driver IC还能够提高IGBT的开关速度，加快电机的响应速度，提高系统的动态性能。

四、提高系统稳定性与可靠性

IGBT Driver IC的高度集成化和优化设计有助于提高电机控制系统的稳定性和可靠性。通过减少外部组件的数量和简化电路设计，Driver IC能够降低系统的复杂性和故障率。同时，Driver IC还具备强大的抗干扰能力和容错能力，能够在恶劣的工作环境下稳定运行，确保电机的可靠运行。

五、支持多种电机控制策略

英飞凌IGBT Driver IC能够与多种电机控制策略相结合，如矢量控制、直接转矩控制等。通过精确控制IGBT的开关状态，Driver IC能够支持电机实现更高效、更精确的控制，从而满足电机控制系统对高性能和高精度的要求。