トラクション・インバータは、バッテリのエネルギーを電力に変換してトルクと速度を制御します。これは、EV の航続距離、性能、運転体験に最も影響を及ぼします。トルクはモーターのサイズに比例し、電力はトルクと速度を発生させます。電力が一定の状態で、モーターのサイズとトルクを小さくするためには、速度を上げる必要があります。これは難しい課題です。特に、機械的または電気的な非理想性による損失など、設計上の非効率が存在すれば、部品のサイズは、通常、電力レベルやトルクに応じて大きくなるからです。したがって、モーターのサイズだけでなく、トラクション・インバータ自体の電気系も縮小することが重要になります。

電力レベルを維持したままで、駆動範囲を拡大し、モーターのサイズと重量を低減するには、トラクション・モーターを高速 (>30,000rpm) で動作させる必要があります。そのためには、高速なセンシングと処理、および DC から AC への効率的な電圧変換が必要です。これらの目標を達成するためのトラクション・インバータ設計のトレンドとして、高度な制御アルゴリズムの採用、出力段スイッチング・トランジスタへの SiC MOSFET 使用、高電圧 800V バッテリ使用、複数のサブシステム統合による高い電力密度の実現、などが挙げられます。

安定したクルーズ・コントロール、応答性の高い加速と減速、より静かな車内環境などのEV 運転体験を向上させる 1 つの方法は、電流センシング・フィードバック・ループの全体的な精度と信頼性を良くすることです。この制御ループは、トラクション・インバータの各相出力から検出電流を取得し、絶縁型高精度アンプからマイクロコントローラ (MCU) を経由して一連の処理を行う経路です。この過程を経て、最終的にトラクション・インバータの制御出力に戻る信号が得られます。モーター制御ループを最適化すると、高速で高精度のフィードバックが可能になり、モーターが速度やトルクの変化に迅速に反応できます。図 1 の背景が着色された部分は、モーター制御ループを示しています。

図 1 モーター制御ループと出力段を黄色で示したトラクション・インバータのブロック図。

図 2 に示すように、絶縁型半導体部品は、通常、トラクション・インバータ内の電力回路と制御回路を絶縁します。3 個の絶縁型アンプまたは変調器は、シャント抵抗を通じてモーター電流を測定し、磁界方向制御 (FOC) のためのマイコンのアルゴリズムに信号を供給します。モーター速度を上げる必要がある場合、より帯域幅の大きい電流センシング・フィードバック・ループが必要になります。これは、計測した相電流を使って、変化したインバータ出力をできるだけ早く生成する必要があるということを意味します。電流センシング・フィードバック・ループのレイテンシ は、特に優先すべき事項です。パワー・トランジスタ (図 1 に示すIGBT (絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ) / SiC MOSFET) のスイッチング周波数は、数十kHz に達しており、高い回転速度を実現するためには、制御信号によってサイクルごとにパルス幅を変更する必要があるからです。大電流により発生するノイズも、ループの信頼性に影響を及ぼします。

絶縁型アンプはノイズ源のすぐ隣に配置されているので、電力回路と制御回路の間でノイズ干渉を最小限に抑えながら、信頼性の高い動作を実現することが重要です。この理由から、電流センシング・ループでは、電源グランドと信号グランドの間に、高い過渡ノイズ耐性を持つガルバニック絶縁アンプが必要になります。部品を適切に選択すれば、正確な電流センシング・ループによって 3 つの相電流の高調波歪みを制限し、加速およびブレーキ条件時のスムーズなモーター速度およびトルク制御をサポートできます。高精度な電流センシング・ループは、電気的損失の防止にも役立ち、駆動中の振動を最小限に抑えます。 AMC1300B-Q1 および AMC1311B-Q1 などの絶縁型アンプや、AMC1306M25 および AMC1336 などの絶縁型変調器は、200kHz を超える帯域幅、2 μs 未満のレイテンシ、100kV/μs を超える同相過渡耐性 (CMTI) のあるガルバニック絶縁により、正確な電流および電圧測定をサポートします。

MCU は、所定の三相電流測定を A/D コンバータ (ADC) によって実施し、その測定値を迅速にデジタル化してメイン・アルゴリズムへ供給し、トラクション・インバータの出力のためのパルス幅変調 (PWM) を生成する必要があります。モーター制御の設計で一般的に使用される FOC アルゴリズムには、高速フーリエ変換 (FFT) や三角関数などの複雑な演算が必要です。そのため、特に 20kHz 以上のスイッチング周波数での高い処理能力が求められます。

トラクション・インバータのモーター制御機能と安全機能の両方を処理できるように、MCU の能力負荷を分散することが重要です。高速 FOC を実装することにより、MCU の電力および処理能力に対する余裕が拡大し、モーター制御と機能安全の両方を処理できます。C2000™ TMS320F28377D、 TMS320F28386D、TMS320F280039C、Sitara™ AM2634-Q1 などのリアルタイム・マイクロコントローラ は、3MSPS 超の ADC によるセンシング、複数の最適化されたコアによる処理能力を活用して、複雑な制御演算を迅速に実行し、高速な制御ループ性能を実現します。アクチュエータ駆動用の高分解能 PWM が密接に統合されているため、高精度のデューティ・サイクルを生成してモーター制御を最適化できます。トラクション・インバータ向けに最適化されたこれらの回路 (ADC 入力、FOC アルゴリズム実行、PWM 書き込み) を組み合わせることで、4μs 未満の制御ループ・レイテンシを実現できます。