[狂人新聞台] Taycan硬知識 - -12,000 Nm扭力 解密Porsche Taycan 動力核心

＃小編：坐穩了！令人屏息震驚的加速力道將駕駛和乘客狠狠壓進座椅

永磁同步馬達（PSM）而不是非同步馬達（ASM）

可不是每一種馬達都適合電動車。保時捷使用的是永磁同步馬達（PSM），較成本較低的非同步馬達（ASM）擁有更高的連續輸出功率，也不容易因過熱而需要調降功率。保時捷永磁同步馬達（PSM）透過三相交流電壓的電力電子系統供電與控制；換言之，馬達轉速由交流電壓在零點附近從正極流向負極的頻率來決定。在 Taycan 的馬達中，脈衝變流器負責調節定子磁場旋轉頻率，從而管理轉子轉速。轉子採用釹鐵硼合金製成的高品質永久磁鐵，在製造過程中會經過高強度定向磁場進行永久磁化。永久磁鐵在煞車過程中也有助於高效動能回收。當車輛處於滑行狀態，馬達便進入發電模式，讓磁鐵將電壓和電流導入定子線圈。

Taycan 電動馬達的「髮夾型繞組」

Taycan 電動馬達的「髮夾型繞組」技術亦完整體現了保時捷DNA - 登峰造極的科技。在這項技術中，構成線圈的導線不是圓形，而是矩形。相較於自持續滾動卷軸上取得銅線的傳統繞線技術，髮夾技術則採用成型組裝法，將矩形銅線分成個別好幾段，並彎曲成形似髮夾的 U 形，分別插入安裝線圈的定子疊片中，令矩形截面的表面層層相疊，再以雷射焊接「髮夾」兩端形成線圈，提升線圈密度，進而提高定子的銅含量。
保時捷髮夾技術的優勢，在於可將銅含量從過去的50%提升至近70%，達成相同容積能夠輸出更高的動力輸出與扭力目標；另一個重要的優勢則是相鄰銅線可均勻接觸，進而改善導熱，強化髮夾定子的冷卻效果。Taycan的電動馬達可將超過 90% 的能量轉化為動力：但是，與內燃機引擎一樣，耗能會轉化為熱能，這也使得電動馬達有一層冷卻水套包覆，為其散熱。

脈衝變流器的控制系統 蘊含保時捷的科技心血結晶

為了精確控制永磁同步馬達，電力電子系統必須掌握轉子的準確角度位置，此時就得仰賴解析器了。解析器由一個磁場傳導金屬製成的轉子盤、一個勵磁線圈和兩個接收線圈組成；勵磁線圈產生磁場，透過編碼器傳輸到接收器繞組，並在接收線圈中產生電壓，電壓相位與轉子位置成比例移動。控制系統可依據這些資訊準確計算轉子的角度位置。此一名為脈衝變流器的控制系統蘊含保時捷的科技心血結晶，負責將 800 V直流電轉換為交流電，並輸送至兩具電動馬達中。保時捷是有史以來第一家採用 800V電壓的車廠，這項技術一開始是為了保時捷 919 Hybrid 混合動力賽車而研發，現在則運用在量產車中，採用較細的電纜降低重量和體積，進而縮短充電時間。

Taycan電動馬達每分鐘轉速高達 16,000 轉。前後軸的驅動單元亦分別搭載一具變速箱，以在轉速範圍內成就保時捷經典的動態表現、效能和極速的完美協作。Taycan 是史上首款後軸搭載二速變速箱的電動跑車，其中第一檔的齒比非常短，前輪動力由一組單速行星變速箱傳輸到車輪。
此一組合賦予Taycan Turbo S強大的動力。前軸電動馬達的 440 Nm扭力經由齒輪比轉換後，將約 3,000 Nm的扭力傳至車輪；後軸電動馬達的 610 Nm扭力在第一檔時倍增為 9,000 Nm，齒比較長的二檔則確保高速行駛間維持高效能和動力儲備。這是一項深富開創性的先進科技，關注最細微之處，使得保時捷在純電時代仍能延續百年來的創新傳統。

＃Porsche #Taycan #TurboS ＃永磁同步馬達 ＃髮夾型繞組 ＃

#電源設計 #氮化鎵GaN #寬能隙半導體 #可編程邏輯閘陣列FPGA #功率因數校正PFC

【GaN 是如何提升電力效率和密度的？】

如何提高電力效率和密度的解決辦法是目前業界的當務之急之一。效率的提升不僅有利於節省電力和冷卻等主要運作成本，還能幫助營運商增加機架密度和可用的運算空間，並以更具成本效益的方式滿足日益增長的需求。氮化鎵 (GaN) 寬能隙裝置的出現成就了新一代的功率轉換設計；這些設計是以前仰賴矽金屬氧化物半導體場效應電晶體 (MOSFET) 所不可能實現的。這些設計使系統能達到前所未有的高功率密度和效率。

基於 GaN 的解決方案可以從交流電源到各個負載點 (POL) 被含納至整個資料中心的電源供應當中。GaN 還實現了諸如高壓直流分配系統的新架構。電力公司需要透過功率因數校正 (PFC) 階段來將電網效率進行最佳化。PFC 的功能如同升壓轉換器，其通常提供 380V 的直流輸出電壓。該電壓需要進一步被降低，以便為系統提供直流匯流排電源。各種拓撲結構在這一階段被採用，但「電感—電感—電容器」(LLC) 和相移全橋通常用於產生 12V 或 48V 的匯流排電壓。

該匯流排電壓通過整個系統佈線，並進行多個轉換步驟，為處理器、可編程邏輯閘陣列 (FPGA)、記憶體和儲存系統之類的各種 POL 供電。基於 GaN 的解決方案從交流電到處理器根本性地改變了整個電力系統的架構和密度。

★PFC：透過圖騰柱拓撲的啟用，像是整合式的 GaN 裝置能將有功功率開關和濾波電感器的數量減少 50%。相較於今天鈦級電源 96% 的效率，開關頻率——連續導通模式 (CCM) 或臨界導電模式 (CRM) 操作，在將整體效率提高到 99% 以上的同時，能顯著減小磁性材料的尺寸。

★LLC：DC/DC 階段利用 GaN 優越的開關特性將諧振轉換器推送到 1 MHz 以上。高頻在提高功率密度和效率的同時，降低了磁性。較小的形狀係數使得新興的高壓配電系統能夠在 380V 至 48V 轉換器的資料中心內得以被使用。

★POL DC/DC：GaN 對這些轉換器有著重大影響。首先，它可從 48V 起進行單步轉換，直接為處理器、記憶體和其他負載供電，在版上配置減少 75% 的同時，從而將在珍貴的印刷電路板 (PCB) 基板面上的零組件數量減少達 50%。其次，使用半橋電流雙拓撲結構使設計人員能夠輕鬆地堆疊功率級，以滿足不同的負載需求，並與負載緊密配合，實現最佳的瞬態效能。

如今，GaN 已不再被視為是一種未來技術。GaN 已開始幫助設計人員實現過去曾遙不可及的目標：設計出更小、開關速度更快、散熱效能更佳的創新電源系統。

延伸閱讀：
《透過 GaN 重新計算密度》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2017/0714/36021.html
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#德州儀器TI #LMG3410 #LMG5200

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#數位控制馬達驅動器 #相位電流回授 #電壓源逆變器 #轉矩漣波
#平滑響應 #速度剖面 #定子繞組 #轉子電磁諧波 #齒槽轉矩 #脈寬調變PWM #類比數位轉換器ADC

【從系統宏觀，揪出數位馬達驅動不佳的元凶！】

在所有數位馬達驅動器中，不可或缺的部分就是「相位電流回授」(phase current feedback)，其測量品質與轉矩漣波 (torque ripple) 和轉矩穩定時間等系統參數直接相關。雖然系統性能與相位電流測量之間具有較強的相關性，但很難轉化為對回授系統 (feedback system) 的硬體需求。馬達驅動器或伺服系統中的電流迴路性能，會直接影響馬達的轉矩輸出；對平滑響應 (smooth response) 與準確定位、速度剖面 (speed profiles) 十分關鍵。

平滑轉矩輸出的一個核心基準是「轉矩漣波」，對於直接轉化為終端應用的準確度剖面和分割應用相當重要；響應時間和穩定時間等參數，將左右生產效率直接被「可控制頻寬」影響的自動化應用優劣。馬達驅動器中的轉矩漣波可能來自於：
1. 馬達本身，例如「定子繞組」(stator winding)、插槽配置和轉子電磁諧波的磁卡轉矩所產生的「齒槽轉矩」(cogging torque)；
2. 相位電流回授系統的偏移及增益誤差；
3. 逆變器的停滯時間 (dead time)，在脈寬調變 (PWM) 輸出電壓增加低頻諧波零組件的定子電性頻率，例如，諧波頻率的電流迴路干擾抑制，將影響電流迴路表現。

當一個三相位馬達藉由開關電壓源逆變器來驅動，此相位電流可視為由兩個元件所組成：一個基本元件和一個開關元件。為達控制目的，須去除開關分量，否則會影響電流控制迴路的性能。最常見的抽取平均分量技術是——取樣同步到脈寬調變週期的電流。如果脈寬調變週期的初始及中間電流為平均值、且取樣時間同步，該開關分量可被有效抑制；但若電流取樣存在時間誤差，則將發生混疊 (aliasing)、電流迴路性能會因此下降。

相位電流的基本分量通常在幾十 Hz 範圍內，而電流迴路的頻寬則以 kHz 計算；微小的時間誤差會影響控制性能似乎有悖常理。然而，僅以相位電感限制 di/dt，即使是一個微小的時間誤差都將導致明顯的電流失真。錯誤的取樣時間最常見的原因有：
★在脈寬調變和類比數位轉換器 (ADC) 之間的鏈結不足，使得在正確的時間內取樣變得不可能；
★缺乏足夠的獨立同步取樣保持電路 (可能是兩個或三個，得依被測量的相位數目決定)；
★因脈寬調變時間器所產生的馬達電壓輸出相位之「閘極驅動訊號」傳輸延遲。

通常，任何能影響 di/dt 的事物都會決定錯誤取樣時間的嚴重性，但馬達轉速、負載、馬達阻抗，和直流匯流排電壓等系統參數，也會導致誤差！想要設計用於馬達控制的最佳化回授系統，必須具備系統宏觀，才能辨別誤差源以對症緩解。

延伸閱讀：
《理解馬達驅動器電流迴路非理想效應影響的系統途徑》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2016/1110/34017.html
(點擊內文標題即可閱讀全文)

#亞德諾ADI #磁場定向控制器驅動平台FOC

圖檔取材：pixabay.com

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