PRlUS混合動力系統(tǒng)-變頻器

廖智多

（湖北東風汽車技師學院）

電動汽車的供電模式是較為復雜的。電池的充電需要直流電，電機的驅(qū)動又需要高壓的交流電，為了協(xié)調(diào)這種復雜的電力需求變頻器就因運而生。普銳斯的變頻器它就像一座橋梁溝通聯(lián)系著HV蓄電池，電機，輔助電池和空調(diào)壓縮機。普銳斯變頻器總成包含變頻器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、增降壓轉(zhuǎn)換器和空調(diào)變頻器。

一、變頻器總成結(jié)構(gòu)解析

變頻器總成內(nèi)部是由多個智能功率模塊（IPM）構(gòu)成，IPM內(nèi)部的控制電路采用的是可以耐高壓的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），IGBT由BJT和MOSFET組成因此具有高輸入阻抗即耐高壓且開關(guān)速度快和低導通壓降的特點，廣泛應(yīng)用于電動汽車的電路控制開關(guān)。內(nèi)部DC/DC負責降壓濾波對鉛酸電池充電，變頻器負責電壓逆變工作。增壓轉(zhuǎn)換器將根據(jù)電壓需求在201.6V到500V間轉(zhuǎn)換。空調(diào)變頻器也整合在變頻器總成上，用于完成空調(diào)系統(tǒng)運行工作。

二、變頻器

（一）結(jié)構(gòu)及作用

普銳斯的變頻器有三個模塊分別控制MG1、MG2和空調(diào)壓縮機電機，將升壓后的高壓直流電通過IPM的逆變作用轉(zhuǎn)化為交流的高壓電驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，對HV蓄電池充電所需的直流電也需要變頻器的逆變作用降低發(fā)電產(chǎn)生的高壓交流電轉(zhuǎn)為直流電。每個模塊由六個IGBT和六個二極管構(gòu)成的三相橋式電路。

（二）工作原理

當命名為其內(nèi)部IGBT分別為V1-V6，二極管命名為D1-D6。其結(jié)構(gòu)類似于整流二極管由HV ECU電壓輸入控制IGBT的導通，對于三相繞組每只IGBT導通的電角度持續(xù)120°，交替控制IGBT導通使電流流入或流出使定子極性發(fā)生改變驅(qū)動電機。

例如當電流經(jīng)過V5流入電機的W相，由V相流出。使W相電機中心方向為N極，V相為S級，在能量回收模式下六個二極管組成的整流器將交流電整流降壓后對HV電池充電。

三、直流轉(zhuǎn)換器

（一）結(jié)構(gòu)和作用

直流轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)由四個功率管、變壓器，整流二極管和濾波電路構(gòu)成。其主要是將HV電池的201.6V高壓電降壓為12V對12V的鉛酸蓄電池充電維持車身電器工作。

（二）工作原理

首先將HV電池的直流電變?yōu)榻涣麟娫砼c變頻器類似，然后通過固定匝數(shù)比的變壓器將201伏轉(zhuǎn)化為12伏交流電，再通過二極管整流后，由濾波電路消去下降沿轉(zhuǎn)化為直流電。

四、升壓轉(zhuǎn)換器

（一）結(jié)構(gòu)和作用

其結(jié)構(gòu)主要由兩個二極管和兩個IGBT及一個電抗器組成。28個電池模塊串聯(lián)形成的201.6V電壓是不足以驅(qū)動電機的，需要根據(jù)電動機不同的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速需求經(jīng)升壓器升高到所需電壓，否則電機的動力不足，且電流過大燒壞電機同時發(fā)電機輸出的最高500V的電壓通過降壓轉(zhuǎn)換器電路降低至201.6V 用于HV蓄電池充電。

（二）工作原理

1.升壓原理

圖1 為boost升壓電路，L表示電感，V表示IGBT，C代表電容。當V接通時，電源將對感應(yīng)器L充電。晶體管V截止時，電源電壓和電感器L儲存電壓同時向圖中負載R和電容C加載。由于同一周期T內(nèi)電感器儲存等于釋放的能量平衡得到，由于定義α+β=1其中α表示V導通的占空比，整理得到。由此可知只要控制V的占空比即脈寬調(diào)制PWM就可以控制電壓。

圖1：Boost升壓電路簡化圖

在普銳斯實際的電路中當升壓IGBT導通時HV蓄電池作用于電抗器L儲能，變頻器電路中的電容向變頻器供電保持輸出電壓。當升壓IGBT截止，HV蓄電池和電感的電壓疊加通過二極管對變頻器升壓電路電容充電并向變頻器輸出500V 的高壓直流電。

2.降壓原理

如圖2直流斬波降壓電路當IGBT V導通時電感L儲能，電容C兩端電為U0=E，

當V斷開時，電感L釋放能量，從而通過續(xù)流二極管對電容器C充電，此時U0=0。由此得到電容C的負載電壓。其中為上述提到占空比，由于小于1，所以控制就可以實現(xiàn)降壓。

圖2：buck降壓電路簡化分析圖

在普銳斯實際降壓電路圖中將負載R等效為HV蓄電池，當降壓控制IGBT導通電感L儲能，IGBT在截止后其內(nèi)部電感L中的電流通過續(xù)流二極管對電路中的電容器進行充電。當增壓控制IGBT再次導通對電感L儲能時，電容持續(xù)對HV蓄電池供電。