新能源汽車高電壓組件結構淺析（五）

無錫汽車工程高等職業技術學校 吳書龍

7 變頻器

變頻器是控制動力電池組與驅動電機之間電量傳遞的設備，既可將動力電池組的直流電（DC）逆變成交流電（AC）以給驅動電機供電，也可將制動回收時驅動電機產生的AC整流成DC為動力電池組充電。它是整個電驅動系統的核心部分。不同汽車制造商常常用自己的專業名稱來命名變頻器，例如，通用的“驅動電機功率變頻器模塊”、現代的“電機控制單元”、豐田的“帶轉換器的逆變器總成”及梅賽德斯-奔馳的“電力電子模塊”等。

在有的新能源汽車上變頻器還會與其他的小型高壓部件組裝在一起，成為集成式的變頻器總成。本文將以豐田Prius混合動力車上的逆變器總成為例，介紹其結構和原理。

7.1 豐田Prius混合動力車逆變器總成的結構和功能

豐田Prius混合動力車逆變器總成外觀如圖28所示，其內部結構如圖29所示。豐田Prius混合動力車逆變器總成內部為多層結構，結構緊湊，主要由電容、智能動力模塊（IPMs）、電抗器、電機控制單元（MG ECU）及DC/DC轉換器等組成，如圖30所示。

（1）逆變器和升壓轉換器。逆變器就是變頻器。由于豐田Prius混合動力車上有2個電機，發電機MG1和電動機MG2，所以有2個逆變器總成，分別用來控制MG1和MG2。當MG1和MG2用作電動機時，動力電池組的DC（201.6 V）先經過升壓轉換器轉換成高壓DC（650 V），然后逆變器將經過升壓轉換器增壓后的高壓DC（650 V）轉換成AC（650 V）來驅動MG1和MG2。當MG1和MG2用作發電機時，電機中產生的AC（650 V）通過逆變器轉換為DC（650 V），然后經升壓轉換器降至201.6 V的DC以對動力電池組充電。

在一個給定的功率輸出要求下，如果電壓升高，電流則會相應減小，這樣可以減少電阻損失，提高系統的效率。這也就是為什么在逆變器將DC轉換成AC之前用升壓轉換器來提升電壓水平的原因。

圖28 豐田Prius混合動力車逆變器總成的外觀

圖29 豐田Prius混合動力車逆變器總成的內部結構

圖30 豐田Prius混合動力車逆變器總成內部組成

（2）DC/DC轉換器。DC/DC轉換器是將來自于動力電池組或電機的高壓DC（201.6 V）轉換成低壓DC（14 V），從而為車輛的低壓電器供電，為12 V輔助電池充電。

（3）MG ECU。MG ECU用來控制逆變器和升壓轉換器的工作。

（4）電容。新能源汽車變頻器都會使用高壓電容器，因此在變頻器工作或任何高壓組件連接變頻器之前，其高壓電容器必須先安全放電。電容器是通過變頻器自身內部的電路進行放電處理，自放電過程可能需要5 min～10 min的時間。對于需要在車輛的變頻器或電機電路上進行作業的技術人員而言，必須等電容器完成放電作業后，方能進行工作。

7.2 豐田Prius混合動力車逆變器總成的控制原理

變頻器的控制原理基本一樣，均為控制一系列的功率晶體管接通或關閉，從而將DC轉換成AC、將AC整流成DC。最常用的功率晶體管為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），但一些汽車使用金屬氧化物半導體效應晶體管（MOSFET）。豐田Prius混和動力逆變器總成的原理示意如圖31所示。

7.2.1 增壓原理

增壓操作是由升壓轉換器完成的。升壓轉換器主要包括智能電源模塊（IPM）和電抗器，IPM內置IGBT，如圖31所示。由MG ECU輸出頻率為5 kHz的脈寬調制信號（PWM）來控制相應的IGBT的導通或截止。當相應的IGBT導通時，電抗器被連接到動力電池組的高壓正、負電路之間，動力電池組給電抗器充電，此時電抗器自感線圈將電能轉化為磁能并存儲。當相應的IGBT截止時，電抗器就被切換連接到向逆變器的IGBT進行供電的高壓正、負電路上。此時，由于電抗器中的充電電流消失，其自感線圈內部磁場發生變化，磁場增強，從而由電抗器轉換給逆變器的電壓就升高了。

7.2.2 電機驅動原理

豐田Prius混合動力車的電機是三相交流永磁同步電機。所以，必須將動力電池組提供的高壓DC轉換成AC才能驅動電機，這個工作是由逆變器來完成的。為了完成DC轉AC的逆變功能，逆變器至少需要6只IGBT。之前已經提及過，豐田Prius混合動力車上有2個逆變器，所以該車的逆變器中共有12只IGBT，如圖31所示，每只IGBT都與1只二極管并聯。這是因為，逆變器不僅具備DC轉AC的逆變功能，還具備AC轉DC的整流功能。其中的二極管就是逆變器處于整流功能時使用的，這將在后續發電機充電原理部分會進行介紹。下面先介紹電機驅動原理。

圖31 豐田Prius混合動力車逆變器總成原理示意

電機有U、V、W3個定子線圈，每個定子線圈需要2個IGBT被觸發產生磁場，而IGBT是由MG ECU輸出的PWM信號來觸發的。MG ECU只有準確地知道電機轉子的位置，才知道觸發哪一個IGBT。因此，MG ECU通過判斷轉子位置傳感器信號來觸發相應的IGBT接通。此時，動力電池阻的高壓電經相應的IGBT到電機的定子線圈，定子線圈通電產生旋轉的磁場。利用右手法則判定磁極，同性相斥、異性相吸使電機轉子的磁鐵隨之轉動。

假設此時定子線圈W的IGBT導通，通過控制加在定子線圈V的IGBT上的PWM信號來控制電機的電流大小和頻率。當定子線圈V的IGBT導通時，電流上升，導通時間越長電機轉速越快。當定子線圈V的IGBT截止時，電流下降，截止時間越長電機轉速越慢。電機扭矩由電流大小控制，電機轉速由電流頻率控制。圖32所示為某一時刻的局部逆變回路。

7.2.3 發電機充電原理

在電機作為發電機作用時，轉子中產生旋轉的磁場，定子線圈切割旋轉的磁力線，從而定子線圈中產生電能。轉子每轉180°定子線圈產生的電壓方向改變一次，最終產生三相交流電。然后經逆變器二極管單向導通性和優先導通性變成直流電壓輸出。

此時由逆變器轉換的DC偏高，無法直接給動力電池組充電，仍需要通過升壓轉換器進行降壓。降壓原理和前述的升壓原理正好相反，當升壓轉換器中相應的IGBT導通時，電抗器將電能轉換為磁能，如圖33所示。當升壓轉換器中相應的IGBT截止時，電抗器將磁能轉換為電能給電容器充電，并進行了降壓。當升壓轉換器中相應的IGBT重新導通時，電容給高壓動力電池組補充充電。

7.2.4 DC/DC轉換原理

圖32 局部逆變回路

圖33 降壓原理（電轉磁）

DC/DC轉換器是將高壓DC（201.6 V）轉換成低壓DC（14 V）的裝置。由于不能直接將高壓DC轉換成低壓DC，因此這個降壓過程包含高壓DC轉高壓AC（逆變）、高壓AC轉低壓AC（變壓）及低壓AC轉低壓DC（整流）這3個過程。DC/DC轉換器的內部控制電路如圖34所示。晶體管橋接電路先將201.6 V的DC轉換為AC，然后經變壓器降壓，最后經整流和濾波電路轉換為14 V的DC輸出。

圖34 DC/DC內部控制電路