ZHDA308 May   2026 UCC34141

 

  1.   1
  2.   摘要
  3.   商标
  4. 1简介
    1. 1.1 终端设备牵引逆变器
    2. 1.2 逆变器为何需要安全性？
    3. 1.3 FuSa 开发流程
      1. 1.3.1 V 模型开发
      2. 1.3.2 逆变器安全生命周期
  5. 2牵引逆变器的 FuSa 要求
    1. 2.1 牵引逆变器结构与功能介绍
    2. 2.2 FuSa 要求推导过程
    3. 2.3 安全目标
    4. 2.4 FuSa 概念
      1. 2.4.1 FSC 设计架构
      2. 2.4.2 故障树分析
      3. 2.4.3 FuSa 要求
    5. 2.5 技术安全概念
      1. 2.5.1 TSC 设计体系结构
      2. 2.5.2 失效模式和影响分析
      3. 2.5.3 技术安全要求
  6. 3逆变器上的安全设计实现方案
    1. 3.1 TI FuSa 产品
    2. 3.2 TSR 如何实现？
      1. 3.2.1 位置传感器
      2. 3.2.2 MCU
      3. 3.2.3 逻辑电路
      4. 3.2.4 智能隔离式栅极驱动器
    3. 3.3 相关失效注意事项
    4. 3.4 牵引逆变器的详细 FuSa 设计结构
    5. 3.5 借助 TI 安全器件实现 FuSa 要求
      1. 3.5.1 MCU
      2. 3.5.2 栅极驱动器
        1. 3.5.2.1 栅极监控电路和过流保护
        2. 3.5.2.2 UCC5881-Q1 中的其他安全机制
      3. 3.5.3 隔离辅助电源
        1. 3.5.3.1 集中式低压隔离式电源架构
        2. 3.5.3.2 全分布式低压隔离式电源架构
        3. 3.5.3.3 半分布式低压隔离式电源架构
        4. 3.5.3.4 高压隔离式偏置电源
        5. 3.5.3.5 TI 的牵引逆变器中隔离式偏置电源设计
      4. 3.5.4 电源管理 IC
        1. 3.5.4.1 具有保护和独立热关断功能的多路径电源轨
        2. 3.5.4.2 电源轨电压监控
        3. 3.5.4.3 MCU 故障监控和其他保护机制
      5. 3.5.5 位置传感器
      6. 3.5.6 电流传感器
      7. 3.5.7 电压传感器
        1. 3.5.7.1 隔离式直流电压检测
        2. 3.5.7.2 非隔离式直流电压检测
      8. 3.5.8 温度传感器
  7. 4总结
  8. 5参考资料

3.5.6 电流传感器

在牵引逆变器系统中，电机相电流检测对于闭环电机转速和扭矩控制以及过流保护至关重要。TMCS2100-Q1 代表了一种非接触式无磁芯霍尔效应电流传感器方案。与需要使用铁氧体材料或将器件插入汇流排的传统电流传感器不同，TMCS2100-Q1 只需安装在位于三相汇流排上方的牵引逆变器控制板上，即可测量相电流引起的磁场。该安装方式具备灵活性，无需复杂机械设计注意事项，可降低工装及制造工艺成本。

通过内部算法和特性标定流程，TMCS2100-Q1 可以选择性地检测其目标汇流排激发的磁场，同时有效屏蔽相邻汇流排的干扰。该特性可将相邻汇流排间距压缩至 5mm，从而减小整体系统尺寸。图 3-23 中展示了该实现方案的原理方框图。

TMCS2100-Q1 测量三相交流电流的方框图图 3-23 TMCS2100-Q1 测量三相交流电流的方框图

对于 FuSa 设计，可以实施多种系统级安全机制来实现 FuSa 目标：

  • 合理性检查

在三相电机控制系统中，由于 Ia+ Ib + Ic = 0 的原理，理论上只需要两个电流检测信号。添加第三相电流传感器可在软件中进行合理性检查，是一种有效的安全机制。通过安全分解，可为每个器件分配 ASIL-B 等级来实现系统级 ASIL-D 合规性，也可采用对 A 相和 B 相分配 QM 等级，对 C 相分配 ASIL-D 等级的方案。

  • 电流检测范围检测

如果 TMCS2100-Q1 输出超过其满量程阈值，这可能表示实际的过流情况或传感器输出漂移/误差。实施电流检测范围检测可以解决这种失效模式并触发适当的安全状态切换。该方案可实现约 60% 的覆盖率。

  • 检查电流传感器输出的扭矩计算

可采用两套独立扭矩计算方法实现交叉校验。第一种方法使用电功率和电机转速计算扭矩，而第二种方法使用三相电流和电机参数进行直接扭矩计算。通过比较这两个计算值，可以验证电流检测精度。

  • 使用另一组直流电流检测

增设直流电流传感器检测逆变器直流侧输入电流，用于重构三相电流，为交流电流测量提供额外校验基准。

除了基于霍尔传感器的无芯电流检测外，基于分流器的电流检测在牵引逆变器应用中仍然很受欢迎。该方法在每个汇流排中放置一个精密分流电阻器，连接到外部隔离式运算放大器以进行电流测量。AMC3302-Q1 是一款具有集成隔离式电源的隔离式运算放大器，无需外部隔离式电源。图 3-24 中展示了 AMC3302-Q1 的方框图。TI 还提供常规隔离式放大器 (AMC030x-Q1)，用于基于分流器的电流检测，该器件不带内部电源，支持单端/差分/调制输出模式。除将分流电阻置于汇流排上以外，该电阻也可集成至功率模块内部，在成本、热管理和整机尺寸上更具优势。

AMC3302-Q1 基于分流器的电流检测方框图图 3-24 AMC3302-Q1 基于分流器的电流检测方框图