ใช้ MCU แบบเรียลไทม์ C2000 เพื่อพัฒนาการออกแบบการควบคุมกำลังไฟในมอเตอร์รถ EV ที่ประหยัดพลังงานและต้นทุน

ความต้องการด้านเทคนิคที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้านกำลังไฟฟ้าของรถยนต์ไฟฟ้าสมัยใหม่ (EV) และรถยนต์ไฟฟ้าแบบไฮบริด (HEV) ทำให้นักออกแบบมีงานที่เกือบจะทำไม่สำเร็จ ประสิทธิภาพพลังงานและความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นของระบบส่งกำลังไฟฟ้าและระบบแปลงพลังงานจะต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งรวมเอาเทคโนโลยีแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่มีประสิทธิภาพและทำงานที่ความถี่สวิตชิ่งสูง นอกจากความปลอดภัยในการใช้งานแล้ว ยานพาหนะที่เชื่อมต่อกันยังทำงานภายใต้ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยระดับไอที และมีการใช้งานการแทรกแซงระบบ เช่น การอัปเดตเฟิร์มแวร์แบบ Over The Air (FOTA)

เมื่อต้องเผชิญกับงบประมาณในการพัฒนาที่จำกัดและราคาผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่แข่งขันได้ สุดท้ายนักออกแบบอุปกรณ์ไฟฟ้าจะต้องให้หาวิธีที่จะทำให้การออกแบบระบบง่ายขึ้น รวมถึงการปรับใช้โซลูชันให้ควบคุมจากส่วนกลางมากขึ้น

เพื่อช่วยในการรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ บทความนี้จะกล่าวถึงข้อดีบางประการของไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) แบบเรียลไทม์ซีรีส์ C2000 ของ Texas Instruments ที่ใช้งานกับระบบยานยนต์และเหมาะสำหรับการควบคุมไดรฟ์และตัวแปลงพลังงานในรถ EV และ HEV หลังจากนั้นจะกล่าวถึงภาพรวมการทำงานและอินเทอร์เฟซโดยย่อของคอนโทรลเลอร์กลุ่ม F28003x โดยบทความนี้จะให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการใช้งานการควบคุมสนามแม่เหล็กแบบมีทิศทาง (FOC) ในแทร็กชั่นอินเวอร์เตอร์ และการควบคุมกระแสแบบฮิสเทอรีซิสในที่ชาร์จแบบออนบอร์ด

ประสิทธิภาพที่ดียิ่งขึ้นในไดรฟ์ควบคุมและตัวแปลงพลังงาน

ประสิทธิภาพที่โดดเด่นของ EV และ HEV ในปัจจุบันส่วนใหญ่เป็นผลมาจากการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ในไดรฟ์และตัวแปลงพลังงาน โดยที่ MCU แบบเรียลไทม์ที่ใช้ในระบบย่อยเหล่านี้ใช้อัลกอริธึมการควบคุมที่ซับซ้อนและโมเดลมอเตอร์ที่แม่นยำเพื่อการตอบสนองอย่างรวดเร็ว โดยมีความล่าช้าในการควบคุมเพียงไม่กี่ไมโครวินาที (µs) หากการควบคุมวงปิดแบบเรียลไทม์ช้าเกินไปและเกินกรอบเวลาที่กำหนดไว้ ความเสถียรของลูปควบคุม ความแม่นยำ และประสิทธิภาพจะลดลง

เพื่อให้สามารถใช้ตัวควบคุมแบบสัดส่วน ปริพันธ์ และอนุพันธ์ (PID) จากไลบรารีมาตรฐานได้ ตัวควบคุมแบบเวกเตอร์แปลงระบบกระแสสเตเตอร์สามเฟสเป็นเวกเตอร์สเปซกระแสสองมิติเพื่อควบคุมความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กและแรงบิดของโรเตอร์ ลูปกระแสไฟฟ้าเร็ว (ลูกศรสีเขียวในรูปที่ 1) ควรมีความล่าช้าในการควบคุมน้อยกว่า 1 ไมโครวินาที

รูปที่ 1: สำหรับการควบคุมที่เสถียร MCU แบบเรียลไทม์ต้องดำเนินการคำนวณทั้งหมดต่อลูปพาส (ลูกศรสีเขียว) ให้เสร็จสิ้นภายในเวลาน้อยกว่า 1 ไมโครวินาที (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

การรวมการควบคุมเวกเตอร์ที่รวดเร็ว เช่น FOC และมอเตอร์แบบความต้านทานแม่เหล็กซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรภายในที่มีประสิทธิภาพสูง (IPM-SynRM) ทำให้ไดรฟ์ของมอเตอร์ให้แรงบิดมากและประสิทธิภาพสูงสุดถึง 96% เมื่อเทียบกับมอเตอร์กระแสตรงแบบดั้งเดิม (เช่น มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร หรือ PMSM) โดยนักออกแบบสามารถใช้การควบคุมแรงบิดแบบแปรผันระหว่างแรงลอเรนซ์และแรงต้านทานแม่เหล็กของ IPM-SynRM โดยใช้ MCU แบบเรียลไทม์ซีรีส์ C2000 และซอฟต์แวร์ C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK ได้ทันท่วงทีและคุ้มค่า FOC ยังทำให้สามารถควบคุม SynRM ได้ด้วยความแม่นยำสูง แม้ไม่มีแม่เหล็กหรือเซ็นเซอร์ตำแหน่ง ซึ่งจะช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายและน้ำหนักของระบบ และทำให้มอเตอร์มีความทนทานต่อการโอเวอร์โหลดมากขึ้น

สำหรับตัวแปลงไฟ AC-DC ที่ทำงานเป็นที่ชาร์จ EV แบบออนบอร์ด (OBC) หรือในทางกลับกันเป็นอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ สิ่งสำคัญคือต้องทำให้กริดพลังงานปราศจากความผิดเพี้ยนฮาร์มอนิก การสวิตช์แบบแรงดันศูนย์ (ZVS) ที่ไม่สะอาดนี้สามารถตอบโต้ได้ด้วยการควบคุมกระแสไฟแบบไฮบริด (HHC) ในที่นี่นักพัฒนายังสามารถพึ่งพา C2000 MCU เพื่อเร่งการออกแบบวงจรโดยใช้อัลกอริธึมการควบคุมประสิทธิภาพสูงจากซอฟต์แวร์ C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK

ลดความซับซ้อนของการออกแบบระบบ EV โดยใช้ C2000 MCU

เพื่อลดความซับซ้อนของการออกแบบระบบไฟฟ้า Texas Instruments ขอเสนอ MCU แบบเรียลไทม์ซีรีส์ C2000 สำหรับการนำการควบคุมพลังงานที่ซับซ้อนไปใช้อย่างรวดเร็ว ช่วยอำนวยความสะดวกในการออกแบบการควบคุมที่ยืดหยุ่นได้หลากหลายด้วยสภาพแวดล้อมการพัฒนาฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ครอบคลุม โดย C2000 MCU ตัวเดียวช่วยให้นักออกแบบรถยนต์สามารถติดตั้งระบบส่งกำลัง EV ที่มีขนาดเล็กกว่าและราคาถูกลงกว่าครึ่ง เนื่องจากได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับเครื่องชาร์จแบบออนบอร์ด ตัวแปลงกระแสตรงเป็นกระแสตรง และแทร็กชั่นอินเวอร์เตอร์ การใช้งานต่าง ๆ เช่น HVAC, ระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่, และการควบคุมเซลล์เชื้อเพลิง ก็สามารถนำไปใช้งานได้เช่นกัน

ผู้ออกแบบระบบสามารถใช้ MCU อันทรงพลังเพียงตัวเดียวเพื่อควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและส่วนประกอบระบบต่าง ๆ ที่อยู่ในส่วนต่าง ๆ ของรถ เว็บไซต์ของ TI ในส่วนของ Resource Explorer และ C2000 Academy ให้การสนับสนุนนักออกแบบมากมายในรูปแบบของเอกสารข้อมูล บันทึกการใช้งาน บอร์ดประเมินผล การออกแบบอ้างอิง วิดีโอฝึกอบรม และฟอรัมสำหรับนักพัฒนา

TI ได้ปรับแต่งตัวควบคุมแบบเรียลไทม์ในตระกูล F28003x สำหรับใช้ใน EV โดยเฉพาะในแง่ของประสิทธิภาพ การรวมระบบ และต้นทุน พลังการประมวลผล 240 MIPS และอุปกรณ์ต่อพ่วงควบคุมแบบเรียลไทม์ในตัว ทำให้ผู้ออกแบบวงจรสามารถปรับปรุงความแม่นยำและประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบควบคุมมอเตอร์และระบบแปลงกำลังตาม MCU รุ่น F280039CSPZ โดยไม่ต้องใช้ FPGA นอกจากนี้เทคโนโลยี GaN และ SiC ที่ใช้งานง่ายยังช่วยลดการสูญเสียจากการสวิตชิ่งและเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานอันเนื่องมาจากความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้น ส่วนประกอบแม่เหล็กที่มีขนาดเล็กลง และความต้องการพื้นที่ทำความเย็นที่ลดลง

ซีรีส์ F28003x รองรับการสื่อสาร Controller Area Network แบบ Full Duplex (CAN FD) รวมถึงอินเทอร์เฟซแบบอนุกรมที่รวดเร็วหลายแบบ หน่วยความจำแฟลชในตัวขนาด 384 กิโลไบต์ (Kbytes) ให้พื้นที่สำรองเพียงพอสำหรับการทำงานของ Internet of Things (IoT) บนเครือข่าย คุณสมบัติการรักษาความปลอดภัยบนชิป เช่น Secure Boot, เอ็นจิ้นการเข้ารหัส AES, ล็อค JTAG และการทดสอบตัวเองในตัวของฮาร์ดแวร์ (HWBIST) ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการแทรกแซงของระบบเครือข่าย เช่น ไลฟ์เฟิร์มแวร์และการอัปเดตเฟิร์มแวร์แบบ Over The Air (FOTA) ปลอดภัยจากการปลอมแปลง ซึ่ง MCU เป็นไปตามข้อกำหนดของ ASIL B และมีความปลอดภัยในการใช้งาน เร่งทั้งเวลาในการพัฒนาแอปพลิเคชันและการรับรองที่จำเป็นสำหรับการเปิดตัวในตลาด รูปที่ 2 แสดงภาพรวมของฟังก์ชันและอินเทอร์เฟซที่จำเป็น

รูปที่ 2: แผนภาพบล็อกฟังก์ชันของ F280039C MCU ที่แสดงข้อมูลสำคัญต่าง ๆ เช่น การประมวลผลที่รวดเร็ว ตัวเลือกการสื่อสารและการตรวจจับที่ยืดหยุ่น และคุณลักษณะการสนับสนุนด้านความปลอดภัย เช่น Secure Boot (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas-instruments)

สำหรับการทดสอบและการสร้างต้นแบบ TMDSCNCD280039C เป็นบอร์ดประเมินผลที่เหมาะสมสำหรับ F280039C ในการใช้งาน controlCARD นี้ที่ติดตั้งส่วนหัว HSEC180 (คอนเนคเตอร์ขอบความเร็วสูง 180 พิน) TMDSHSECDOCK ต้องมีตัวรับ 180 พิน

บล็อกลอจิกที่กำหนดค่าได้ (CLB) สำหรับลอจิกแบบกำหนดเอง

บล็อกลอจิกที่กำหนดค่าได้ (CLB) ช่วยให้โปรแกรมเมอร์สามารถรวมลอจิกที่กำหนดเองเข้ากับระบบควบคุมแบบเรียลไทม์ C2000 โดยที่ไม่มีลอจิกภายนอก FPGA, CPLD หรือ ASIC ด้วยการเพิ่ม CLB โมดูลต่อพ่วง C2000 ที่มีอยู่ เช่น โมดูเลเตอร์ความกว้างพัลส์ที่ปรับปรุงแล้ว (ePWM) การจับภาพที่ปรับปรุงแล้ว (eCAP) หรือพัลส์ตัวเข้ารหัสพื้นที่สี่เหลี่ยมที่ปรับปรุงแล้ว (eQEP) สามารถขยายได้ด้วยสัญญาณและฟังก์ชันเฉพาะของลูกค้า

บล็อกลอจิกได้รับการกำหนดค่าผ่าน C2000 SysConfig ซึ่งมีอยู่ในC2000Ware ต้องใช้เครื่องมือ SysConfig ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสภาพแวดล้อมการพัฒนาแบบรวม (IDE) Code Composer Studio (CCS) ของ TI หรือพร้อมใช้งานเป็นเครื่องมือแบบสแตนด์อโลนสำหรับใช้กับ IDE อื่น ๆ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: CLB ทำให้ง่ายต่อการนำลอจิกแบบกำหนดเองไปใช้กับระบบควบคุมแบบเรียลไทม์ C2000 โดยไม่จำเป็นต้องใช้ลอจิกภายนอกและ FPGA (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

แพ็คเกจซอฟต์แวร์และเอกสาร C2000Ware ช่วยลดเวลาในการพัฒนาโดยให้ไดรเวอร์เฉพาะอุปกรณ์ ไลบรารี และตัวอย่างการใช้งานที่หลากหลาย และโดยการขยายอุปกรณ์ต่อพ่วงโดยใช้ CLB

พื้นฐานสำหรับการพัฒนาโค้ดและการดีบักของการใช้งานแบบฝัง C2000 คือ CCS IDE โดยชุดเครื่องมือประกอบด้วยคอมไพเลอร์ C/C++ ที่ปรับให้เหมาะสม ตัวแก้ไขซอร์สโค้ด สภาพแวดล้อมการสร้างโปรเจ็กต์ ดีบักเกอร์ ตัวสร้างโปรไฟล์ และคุณลักษณะอื่น ๆ อีกมากมาย IDE ที่ใช้งานง่ายมีอินเตอร์เฟสผู้ใช้เพียงตัวเดียวที่จะแนะนำผู้ใช้ตลอดทุกขั้นตอนของการพัฒนา เครื่องมือและอินเทอร์เฟซที่คุ้นเคยตามเฟรมเวิร์กซอฟต์แวร์ Eclipse ช่วยให้ผู้ใช้สามารถเริ่มต้นได้อย่างรวดเร็ว

วงจรนาฬิกาและการทดสอบ

โปรแกรมเมอร์สามารถใช้วงจร Embedded Pattern Generator (EPG) แทนที่จะเข้าไปแทรกแซงในวงจรนาฬิกาที่ซับซ้อนโดยใช้ CLB สำหรับสถานการณ์การทดสอบอย่างง่ายระหว่างการเขียนโปรแกรมหรือการตรวจสอบ โมดูล EPG แบบสแตนด์อโลนช่วยในการสร้างรูปแบบพัลส์แบบกำหนดเอง (SIGGEN) และสัญญาณนาฬิกา (CLOCKGEN) แต่ยังสามารถจับภาพและปรับเปลี่ยนรูปแบบสตรีมข้อมูลอนุกรมขาเข้าหรือซิงโครไนซ์กับสัญญาณนาฬิกาที่สร้างขึ้นได้

สำหรับการดีบักและการตรวจสอบและการทำโปรไฟล์ของบัส CPU ที่สำคัญและเหตุการณ์ของอุปกรณ์ในลักษณะที่ไม่เข้าไปในระบบเรียลไทม์ C2000 การวิเคราะห์และวินิจฉัยตามเวลาจริงในตัว (ERAD) ถูกนำมาใช้ โมดูลฮาร์ดแวร์มีตัวเปรียบเทียบบัสแบบขยายและตัวนับเหตุการณ์ของระบบที่อยู่ภายในสถาปัตยกรรมบัส MCU (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ERAD ให้ตัวเปรียบเทียบบัสขั้นสูงและตัวนับเหตุการณ์ของระบบสำหรับการสร้างอินเตอร์รัปต์ อยู่ภายในสถาปัตยกรรมบัส MCU และเปิดใช้งานการดีบักของระบบแบบเรียลไทม์ในลักษณะที่ไม่เข้าไปในระบบ (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

ERAD สามารถสร้างอินเตอร์รัปต์และแฟล็กระดับระบบได้อย่างอิสระ และส่งไปยังอุปกรณ์ต่อพ่วงอื่น ๆ เช่น CLB

ใช้การควบคุมเครื่องยนต์ FOC เร็วขึ้นโดยใช้ C2000 MCU

การใช้งานการควบคุมแรงบิดแบบแปรผันของ IPM-SynRM โดยใช้การควบคุมเวกเตอร์นั้นซับซ้อน ขึ้นอยู่กับความเร็วและแรงบิดโหลด อัลกอริทึมต้องควบคุมมุมออฟเซ็ตระหว่างระบบพิกัดหมุนสองระบบ ดังนั้น โรเตอร์สามารถนำไฟฟ้าหรือหน่วงสนามแม่เหล็กสเตเตอร์ที่หมุนอยู่ได้ถึง ±90° ผ่านการควบคุมแบบเปลี่ยนเฟส ซึ่งช่วยให้สามารถใช้งานตัวแปรระหว่าง RM และ PMSM ได้ การควบคุมที่ซับซ้อนของความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กและแรงบิดของโรเตอร์สามารถทำได้อย่างรวดเร็วโดยใช้ชุดพัฒนาซอฟต์แวร์ควบคุมมอเตอร์ของ TI

ซอฟต์แวร์นี้มาจากความเชี่ยวชาญรวมกันหลายทศวรรษ ประกอบไปด้วยเฟิร์มแวร์ที่ทำงานบนโมดูลการประเมินการควบคุมมอเตอร์ C2000 (EVM) และการออกแบบ TI (TID) ไลบรารีฟังก์ชันหลักสองไลบรารีสำหรับการควบคุมเวกเตอร์คือ InstaSPIN-FOC (ตัวควบคุมมอเตอร์ FOC ที่ไม่มีตัวเข้ารหัส) และ DesignDRIVE (การควบคุมมอเตอร์ FOC ที่ต้องใช้ตัวเข้ารหัส)

คุณสมบัติที่สำคัญของ InstaSPIN-FOC:

• การควบคุมแรงบิดหรือความเร็วแบบ FOC โดยไม่มีเซนเซอร์
• ซอฟต์แวร์สังเกตการณ์ฟลักซ์ มุม ความเร็ว และแรงบิด (FAST) สำหรับการประมาณโรเตอร์
• การระบุพารามิเตอร์มอเตอร์
• ตัวสังเกตการณ์และวงควบคุมแรงบิดปรับจูนอัตโนมัติ
• ประสิทธิภาพระดับพรีเมียมสำหรับการใช้งานความเร็วต่ำและไดนามิกสูง

คุณลักษณะพิเศษของลูปควบคุม FOC คืออัลกอริธึม FAST แบบปรับได้ ซึ่งจะกำหนดความหนาแน่นของฟลักซ์ มุมกระแส ความเร็ว และแรงบิดโดยอัตโนมัติจากแรงดันเฟสและกระแส (ภาพที่ 5) ด้วยการระบุพารามิเตอร์ของมอเตอร์โดยอัตโนมัติ นักออกแบบจึงสามารถเริ่มใช้งานมอเตอร์ใหม่ได้อย่างรวดเร็ว และใช้ระบบอัตโนมัติในการปรับแต่งลูปการควบคุมอย่างละเอียด

รูปที่ 5: คุณลักษณะพิเศษของลูปควบคุม FOC คืออัลกอริธึม FAST แบบปรับได้ ซึ่งจะตรวจจับความหนาแน่นของฟลักซ์ มุมของกระแสไฟ ความเร็ว และแรงบิดโดยอัตโนมัติ (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

คุณสมบัติที่สำคัญของ DesignDRIVE:

• การควบคุมความเร็วหรือตำแหน่งแบบ FOC โดยใช้เซ็นเซอร์
• สัญญาณบอกตำแหน่ง: ตัวแก้ไข ตัวเข้ารหัสที่เพิ่มขึ้นและสมบูรณ์
• เทคนิคการตรวจวัดกระแส: ชันท์ด้านต่ำ การสุ่มตัวอย่างกระแสอินไลน์ และการแยกตัวกรองซิกมาเดลต้า
• Fast current loop (FCL): ไลบรารีซอฟต์แวร์ที่ปรับให้เหมาะสมซึ่งใช้ประโยชน์จากทรัพยากรฮาร์ดแวร์อย่างเต็มที่เพื่อเร่งการสุ่มตัวอย่าง การประมวลผล และการทำงานของระบบ เพื่อให้ได้แบนด์วิดธ์การควบคุมสูงสุดสำหรับความถี่ PWM ที่กำหนดในการควบคุมเซอร์โว
• ตัวอย่างการเชื่อมต่อแบบเรียลไทม์

ตัวอย่างการใช้งาน 1: MCU หนึ่งตัวควบคุมแทร็กชั่นอินเวอร์เตอร์และตัวแปลง DC-DC

ผู้ผลิตยานยนต์มักจะรวมส่วนประกอบระบบแบบกระจายทั้งสามส่วนไว้ในแชสซีเดียว และลดจำนวน MCU เพื่อลดต้นทุนและความซับซ้อนของระบบ อย่างไรก็ตามจะต้องใช้ MCU ที่มีประสิทธิภาพการควบคุมแบบเรียลไทม์สูงเพื่อจัดการทั้งสาม เพื่อแก้ไขปัญหานี้การออกแบบอ้างอิง TIDM-02009 ของ TI แสดงให้เห็นถึงการออกแบบผสมผสานของแทร็กชั่นอินเวอร์เตอร์ EV/HEV และตัวแปลง DC-DC แบบสองทิศทางที่ควบคุมด้วย MCU แบบเรียลไทม์ F28388DPTPS ตัวเดียว (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: การ์ด C2000 MCU ของแผงควบคุม (ซ้ายล่าง) เพียงแผงเท่านั้นที่ควบคุมแทร็กชั่นอินเวอร์เตอร์ (ซ้ายบน) และตัวแปลง DC-DC (ขวา) (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

แทร็กชั่นอินเวอร์เตอร์ใช้ตัวแปลงรีโซลเวอร์เป็นดิจิทัล (RDC) ที่ใช้ซอฟต์แวร์เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ด้วยความเร็วสูงถึง 20,000 รอบต่อนาที (rpm) ระดับกำลังไฟฟ้าประกอบด้วยโมดูลพลังงานหกทาง CCS050M12CM2 ของ Wolfspeed ที่ใช้ SiC FET ขับเคลื่อนโดยเกตไดร์เวอร์อัจฉริยะ TI UCC5870QDWJRQ1 โมดูล PWM ที่ล้ำสมัยพร้อมการชดเชยความชันในตัวในระบบย่อยตัวเปรียบเทียบ (CMPSS) จะสร้างรูปคลื่น PCMC เส้นทางการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าใช้แอมพลิฟายเออร์การแยกสูงพิเศษ AMC1311QDWVRQ1 ของ TI ที่มีอินพุต 2 โวลต์และเส้นทางการตรวจวัดกระแสใช้แอมพลิฟายเออร์ความแม่นยำการแยกสูงพิเศษ AMC1302QDWVRQ1 ของ TI พร้อมอินพุต ±50 มิลลิโวลต์ (mV)

ตัวแปลง DC-DC ใช้เทคโนโลยีการควบคุมโหมดกระแสไฟสูงสุด (PCMC) พร้อมโทโพโลยีฟูลบริดจ์แบบเปลี่ยนเฟส (PSFB) และการแก้ไขแบบซิงโครนัส (SR) การทำงานแบบสองทิศทางมีข้อได้เปรียบที่ตัวแปลงจะชาร์จตัวเก็บประจุ DC บัสล่วงหน้า ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้รีเลย์จำกัดกระแสและตัวต้านทานแบบอนุกรม โดยการสื่อสารที่ป้องกันสัญญาณรบกวนแบบ CAN FD นั้นมาจากโมดูลตัวรับส่งสัญญาณคอนโทรลเลอร์ TCAN4550RGYTQ1 ในตัว

ตัวอย่างการใช้งาน 2: ตัวแปลง AC-DC ขนาด 6.6 กิโลวัตต์แบบสองทิศทางที่มีประสิทธิภาพ

สำหรับเอาต์พุตกำลังค่อนข้างสูง PMP22650 แสดงถึงการออกแบบอ้างอิงตาม GaN FET สำหรับคอนเวอร์เตอร์ AC-DC เฟสเดียวแบบสองทิศทางที่จัดการพลังงาน 6.6 กิโลวัตต์ (kW) ที่ชาร์จ OBC สามารถชาร์จแทร็กชั่นแบตเตอรี่แรงดึงด้วยพลังงานจากกริด และในทางกลับกัน ให้ชาร์จตัวเก็บประจุ DC link ล่วงหน้า อุปกรณ์แปลงไฟ AC 240 โวลต์ที่ 28 แอมแปร์ (A) ที่ด้านหลักเป็น 350 โวลต์ DC ที่ 19 A ที่ด้านทุติยภูมิ

F28388DPTPS MCU ตัวเดียวควบคุมลิงก์แก้ไขตัวประกอบกำลังสองขั้ว (PFC) แบบสองเฟสที่ทำงานที่ความถี่สวิตชิ่ง 120 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) และโทโพโลยีแบบฟูลบริดจ์ CLLLC (C = ตัวเก็บประจุ L = ตัวเหนี่ยวนำ) ตามด้วยการแก้ไขแบบซิงโครนัส ตัวแปลง CLLLC ใช้ทั้งการปรับความถี่และเฟสสำหรับการควบคุมเอาต์พุต และทำงานที่ความถี่ผันแปรตั้งแต่ 200 kHz ถึง 800 kHz

ในรูปที่ 7 การจับคู่การ์ดคอนโทรลเลอร์ TMDSCNCD28388D (กลาง) ควบคุมวงจรกลาง PFC ด้านหลัก (ซ้าย) และตัวแปลง CLLLC ฟูลบริดจ์ด้านทุติยภูมิที่มีการแก้ไขแบบซิงโครนัส (ขวา) แผนผังของการออกแบบนี้แสดงในรูปที่ 8

รูปที่ 7: การ์ดคอนโทรลเลอร์ TMDSCNCD28388D (กลาง) ควบคุมลิงก์ PFC ฝั่งหลัก (ซ้าย) และตัวแปลง CLLLC ฟูลบริดจ์ด้านทุติยภูมิพร้อมการแก้ไขแบบซิงโครนัส (ขวา) (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

ประสิทธิภาพสูงสุดถึง 96% ที่กำลังไฟเต็มกำลัง และความหนาแน่นของพลังงานแบบเปิดเฟรมที่ 3.8 กิโลวัตต์/ลิตร เกิดขึ้นได้ด้วยการใช้ GaN FET ความเร็วสูง LMG3522R030-Q1 ที่พัฒนาขึ้นใหม่ ตัวประกอบกำลังคือ 0.999 โดยมีความผิดเพี้ยนของฮาร์มอนิกรวม (THD) น้อยกว่า 2% ทางเลือกแทน LMG3522 คือ LMG3422R030RQZT GaN FET ซึ่งผ่านการรับรองด้านยานยนต์ด้วยแรงดันสวิตช์ 600 โวลต์และ R_ds(ON) 30 มิลลิโอห์ม (mΩ) นอกจากนี้ยังรวมไดรเวอร์เกท การป้องกันการโอเวอร์โหลด และการตรวจสอบอุณหภูมิ

รูปที่ 8: โทโพโลยีวงจรของ OBC ซึ่งประกอบด้วยวงจรกลาง PFC (ซ้าย) และตัวแปลง CLLLC ฟูลบริดจ์ด้านทุติยภูมิที่มีการแก้ไขแบบซิงโครนัส (ขวา) (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

คุณลักษณะพิเศษของคอนเวอร์เตอร์ AC-DC นี้คือ HHC ซึ่งช่วยลดความผิดเพี้ยนของค่า Zero-crossing ได้อย่างมากโดยการจำลองแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุแบบเรโซแนนซ์ ผลการทดสอบยังแสดงการตอบสนองชั่วคราวที่ดีขึ้น และการออกแบบของลูปควบคุมนี้ยังง่ายกว่าการควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบลูปเดียว

ตัวอย่างของอินเวอร์เตอร์โฟโตโวลตาอิกแสดงให้เห็นว่า HHC ลดการบิดเบือนของทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งบริดจ์ที่จุดข้ามศูนย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด (รูปที่ 9, ซ้าย) ซึ่งจะช่วยขจัดการปล่อยและการบิดเบือนบนกริดพลังงาน THD ของฮาร์โมนิกที่ 3 สูง 7.8% บนแรงดันไฟฟ้าตารางไซน์ (รูปที่ 9, บนขวา) ลดลงเหลือ 0.9% โดยใช้ HHC (รูปที่ 9, ล่างขวา)

รูปที่ 9: HHC สามารถลดความผิดเพี้ยนของทรานซิสเตอร์สวิตช์บริดจ์ที่จุดข้ามศูนย์ (ซ้าย) ได้อย่างมาก และกำจัด THD THD ของฮาร์โมนิกที่ 3 สูง 7.8% บนแรงดันไฟฟ้าสายไซน์ (ขวาบน) ลดลงเหลือ 0.9% (ล่างขวา) โดยใช้ HHC (แหล่งที่มารูปภาพ: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

อนึ่งการออกแบบวงจรของคอนเวอร์เตอร์ DC-DC ขนาด 6.6 กิโลวัตต์นี้อิงตามการออกแบบอ้างอิง TIDA-010062 ของ TI ในขณะที่ C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ อำนวยความสะดวกในการออกแบบตัวแปลงพลังงานดังกล่าว

สรุป

MCU แบบเรียลไทม์ซีรีส์ C2000 ของ Texas Instruments สามารถรองรับงานควบคุมได้แทบทุกรูปแบบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังยานยนต์ การประยุกต์ใช้ระบบนิเวศ MCU เหล่านี้ช่วยให้สามารถออกแบบระบบได้ในเวลาที่กำหนดและคุ้มค่า โดยการรวมและร่วมกันควบคุมอุปกรณ์ที่อยู่ในระบบอิเล็กทรอนิกโดยใช้ MCU แบบเรียลไทม์ที่มีประสิทธิภาพ

ดังที่แสดงในข้างต้นไดรเวอร์พลังงานอัจฉริยะของ GaN และ SiC นั้นง่ายต่อการใช้งาน ฟังก์ชันการทำงานของไลบรารีที่กว้างขวางและการออกแบบเอกสารอ้างอิงที่ได้รับการรับรองล่วงหน้าที่มีเอกสารครบถ้วนช่วยให้การนำการควบคุมมอเตอร์ FOC และการควบคุม HHC ของคอนเวอร์เตอร์ไปใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น