牽引逆變器的架構因車輛類型而異。插電式混合動力車 (PHEV) 和電池電動車 (BEV) 都具三相電壓來源逆變器拓撲，功率位準範圍為 100 至 500-kW。電池組可直接連接至逆變器 DC 輸入，也可使用 DC/DC 升壓逆變器提高電池電壓，提供逆變器受控制的 DC 電壓。

二階逆變是電動車和業界最常見的電源轉換器，功率範圍可達數十千瓦，功率則可達數百千瓦。切換頻率通常在 5 kHz 至 30 kHz 範圍內，目前三階逆變器越來越受歡迎，因為逆變器可提供更高的功率能力 (超過 300 kW)、更高的效率和更低的諧波失真，並允許使用更精巧的電磁干擾 (EMI) 濾波器。在許多拓撲中，中性點嵌位及 T 型中性點嵌位 (TNPC) 是最具競爭力的設計。圖 2-1 說明三階 TNPC 逆變器的範例。

第二種趨勢則是雙馬達架構。Tesla 早在 2012 年就推出了 Model S 車款，這是一款後輪驅動的全尺寸豪華轎車，運用 85-kWh 電池組提供最遠 426 公里行駛距離。2014 年 Tesla 宣布推出 Model S 全輪驅動版本，其中前後輪軸皆配備電動馬達。自此之後，雙逆變器就由多家 OEM 採用，像是 Chevy Volt PHEV、Toyota Prius HEV 和 Cadillac CT6 PHEV。

第三個改善系統整合的趨勢是採用電動軸，將電力電子、電動馬達和變速箱整合在精巧的系統機殼中。電動軸可提升馬達性能，因為此設計可實現更高的扭矩和最高速度，例如 20-k RPM。其更佳的冷卻效果和線圈繞組結構，可提升功率密度和馬達效率。

牽引逆變器功能的其他趨勢包括：

• 提升功率位準與汽車安全完整性等級 (ASIL) (100 kW 至 500 kW，ASIL C 至
  ASIL D)
• 改用 800-V 技術並提升切換暫態電壓
• 輕鬆調整閘極驅動器強度以減少過衝、使效率最佳化並減少 EMI
• 不使用解析器而改用電感式位置感測技術，以降低成本
• 將主動放電整合至閘極驅動器積體電路 (IC)，以降低成本並節省空間

牽引逆變器需要隔離技術、在低電壓域中採用的技術，以及在高電壓域中採用的技術。TI 在絕緣式閘極驅動器、數位隔離器、隔離式類比轉數位轉換器及固態繼電器中採用的電容隔離技術，將強化訊號隔離整合在電容電路中，並以二氧化矽作為介電質。圖 3-1 說明牽引逆變器系統的範例。隔離層 (紅色虛線) 將低電壓域及高電壓域分隔。

在低電壓域中，微控制器 (MCU) 會產生脈衝寬度調變 (PWM) 訊號至電源開關。MCU 會在封閉迴路中執行感測和速度控制，並處理主機功能以滿足強制性硬體和軟體安全性及安全程式碼執行的要求。此外，執行安全電源樹狀結構可防止 MCU 和重要電源軌斷電。連接至 12-V 汽車電池的電源管理積體電路 (PMIC) 或系統晶片可為 MCU 供電。MCU 會與解析器或霍爾效應感測器的類比前端介接。

高電壓域中的主要功能包括：

• 電源開關 – 通常為碳化矽 (SiC) 或絕緣閘極雙極電晶體 (IGBT) 型電源模組，由具備保護和監控功能的絕緣式閘極驅動器控制
• 絕緣式閘極驅動器 – 允許在高電壓與低電壓單元間進行資料與電源傳輸的隔離裝置，同時防止來自高電壓域的危險 DC 或未受控制暫態電流流動
• 偏壓電源 – 一種電氣隔離的電源供應器，可從低電壓側取得輸入並產生閘極驅動電壓至電源開關
• 隔離式電壓及電流感測 – 感測 DC 鏈路電壓及馬達相位電流，並確保在馬達上施加正確扭力
• 主動放電 – 將 DC 匯流排電容器電壓放電至安全電壓。可產生反電動勢 (EMF) 的馬達類型需要主動放電。聯合國歐洲經濟委員會第 94 號條例規定 DC 匯流排電容器電壓降至安全電壓 (60 V) 的時間不得超過 5 秒。此外也需包含診斷電路對重要功能執行自檢，以防止系統故障。

逆變器控制和安全方案也會因車輛類型而異。例如永磁同步馬達 (PMSM) 具有高效、低扭矩漣波和大速度範圍，因此可加以運用。PMSM 通常使用空間向量 PWM 控制，又稱爲磁場定向控制。以與轉子磁性垂直的定子向量方式控制定子電流將會產生扭力。更新定子電流會使定子通量向量一直保持在與轉子磁鐵呈 90 度的位置。PHEV 和 BEV 中其他常見的馬達類型包括感應馬達、外激式同步機及切換式磁阻機。

爲了減少昂貴的稀土材料永久磁鐵，外激式同步馬達 (EESM) 的使用逐漸增加，不僅可做爲車輛副軸，也可用作主軸移動裝置使用。使用此馬達的目標是降低成本 (例如 100-kW 的峰值功率約需 1.5 kg 磁鐵)，及減少製造與維護的工作量。EESM 機器類型包括傳導性 EESM 和感應式 EESM (iEESM)。使用 EESM 的商用車輛包括 Toyota Prius、Chevrolet Bolt EV、Ford Focus Electric、VW e-Golf、BMW iX3 等。

定義逆變器架構和規格後，下一步是選擇 MCU。TI 提供適合 HEV 和 EV 應用的強大微控制器代表產品，其中包括 Arm® Cortex® R5F 型 Sitara 系列，和具即時控制功能和快速控制迴路的高效能 C2000™ MCU 系列。

Sitara MCU 系列中的 Arm Cortex-R5F 叢集包含兩個 R5F 核心。核心周圍有許多伴隨記憶體，例如 L1 快取和緊密耦合記憶體 (TCM)、標準 Arm CoreSight™ 偵錯與追蹤架構、整合式向量中斷管理器 (VIM)、ECC 聚合器和其他各種模組。即時控制加速器沿襲了傳統 C2000 控制模組。加速器包括：類比轉數位轉換器 (ADC)、類比比較器、緩衝數位轉類比轉換器、強化型脈衝寬度調變器 (EPWM)、強化式擷取、強化相位差編碼器脈衝、快速序列介面、ΣΔ 濾波器模組及交錯型加速器。其他優點包括：適用分離式安全分解、硬體安全模組 (HSM) 和以 AUTOSAR 提供 CAN-FD 支援的彈性 lockstep 選項。byAM2634-Q1 控制的牽引逆變器系統方塊圖如 圖 4-1 中所示。

Code Composer Studio™ 軟體專案資料夾包含牽引逆變器展示程式碼。解析器迴路的執行方式如下：將一個 PWM 通道設定成透過直接記憶體存取和較高頻率下的數位轉類比轉換器 (DAC) 觸發解析器激磁訊號更新，其他三個 PWM 通道則產生逆變器訊號並產生 ADC SOC。解析器激磁訊號會從 DAC 對齊 ADC 取樣的所需相位。多個 ADC 單元可共用相同的晶片系統 (SOC)。

TI C2000 MCU 系列在數位電源與馬達控制應用方面提供領先的即時控制性能已超過 20 年。這些 MCU 整合了快閃記憶體、類比轉數位轉換器(ADC)、數位訊號處理器 (DSP) 和脈衝寬度調變 (PWM) 單元，且非常成功；如 TMS320F28003x 和 TMS320F2837x。C2000 系列範圍涵蓋獨立式逆變器到完整動力系統整合，包括：牽引轉換器、車載充電器 (OBC)、高電壓 DC-DC 轉換器、電池管理系統 (BMS)、暖氣通風與空調 (HVAC)，未來的 F29x 系列更可提供數百倍的每秒百萬指令 (MIPS)。

TI C2000 MCU 包含下列功能，可協助加快牽引逆變器的控制演算法：

• 狀態機架構 32 位元浮點控制律加速器可從主要 DSP 核心磁場定向控制獨立執行程式碼
• 此系列中某些設備支援 32 位元浮點運算或 64 位元浮點
• 三角函數數學單位 (TMU) 提供固有指示，以支援轉換與扭力迴路計算中常見的常用三角函數。使用以 TMU 為基礎的指示，可大幅減少週期數。圖 4-2 展示如何透過 TMU 進行牽引逆變器控制演算法改善。
• 複雜數學方程式中维特比和循環冗餘檢查運算的週期數減少