新能源汽车高电压组件结构浅析（五）

无锡汽车工程高等职业技术学校 吴书龙

7 变频器

变频器是控制动力电池组与驱动电机之间电量传递的设备，既可将动力电池组的直流电（DC）逆变成交流电（AC）以给驱动电机供电，也可将制动回收时驱动电机产生的AC整流成DC为动力电池组充电。它是整个电驱动系统的核心部分。不同汽车制造商常常用自己的专业名称来命名变频器，例如，通用的“驱动电机功率变频器模块”、现代的“电机控制单元”、丰田的“带转换器的逆变器总成”及梅赛德斯-奔驰的“电力电子模块”等。

在有的新能源汽车上变频器还会与其他的小型高压部件组装在一起，成为集成式的变频器总成。本文将以丰田Prius混合动力车上的逆变器总成为例，介绍其结构和原理。

7.1 丰田Prius混合动力车逆变器总成的结构和功能

丰田Prius混合动力车逆变器总成外观如图28所示，其内部结构如图29所示。丰田Prius混合动力车逆变器总成内部为多层结构，结构紧凑，主要由电容、智能动力模块（IPMs）、电抗器、电机控制单元（MG ECU）及DC/DC转换器等组成，如图30所示。

（1）逆变器和升压转换器。逆变器就是变频器。由于丰田Prius混合动力车上有2个电机，发电机MG1和电动机MG2，所以有2个逆变器总成，分别用来控制MG1和MG2。当MG1和MG2用作电动机时，动力电池组的DC（201.6 V）先经过升压转换器转换成高压DC（650 V），然后逆变器将经过升压转换器增压后的高压DC（650 V）转换成AC（650 V）来驱动MG1和MG2。当MG1和MG2用作发电机时，电机中产生的AC（650 V）通过逆变器转换为DC（650 V），然后经升压转换器降至201.6 V的DC以对动力电池组充电。

在一个给定的功率输出要求下，如果电压升高，电流则会相应减小，这样可以减少电阻损失，提高系统的效率。这也就是为什么在逆变器将DC转换成AC之前用升压转换器来提升电压水平的原因。

图28 丰田Prius混合动力车逆变器总成的外观

图29 丰田Prius混合动力车逆变器总成的内部结构

图30 丰田Prius混合动力车逆变器总成内部组成

（2）DC/DC转换器。DC/DC转换器是将来自于动力电池组或电机的高压DC（201.6 V）转换成低压DC（14 V），从而为车辆的低压电器供电，为12 V辅助电池充电。

（3）MG ECU。MG ECU用来控制逆变器和升压转换器的工作。

（4）电容。新能源汽车变频器都会使用高压电容器，因此在变频器工作或任何高压组件连接变频器之前，其高压电容器必须先安全放电。电容器是通过变频器自身内部的电路进行放电处理，自放电过程可能需要5 min～10 min的时间。对于需要在车辆的变频器或电机电路上进行作业的技术人员而言，必须等电容器完成放电作业后，方能进行工作。

7.2 丰田Prius混合动力车逆变器总成的控制原理

变频器的控制原理基本一样，均为控制一系列的功率晶体管接通或关闭，从而将DC转换成AC、将AC整流成DC。最常用的功率晶体管为绝缘栅双极型晶体管（IGBT），但一些汽车使用金属氧化物半导体效应晶体管（MOSFET）。丰田Prius混和动力逆变器总成的原理示意如图31所示。

7.2.1 增压原理

增压操作是由升压转换器完成的。升压转换器主要包括智能电源模块（IPM）和电抗器，IPM内置IGBT，如图31所示。由MG ECU输出频率为5 kHz的脉宽调制信号（PWM）来控制相应的IGBT的导通或截止。当相应的IGBT导通时，电抗器被连接到动力电池组的高压正、负电路之间，动力电池组给电抗器充电，此时电抗器自感线圈将电能转化为磁能并存储。当相应的IGBT截止时，电抗器就被切换连接到向逆变器的IGBT进行供电的高压正、负电路上。此时，由于电抗器中的充电电流消失，其自感线圈内部磁场发生变化，磁场增强，从而由电抗器转换给逆变器的电压就升高了。

7.2.2 电机驱动原理

丰田Prius混合动力车的电机是三相交流永磁同步电机。所以，必须将动力电池组提供的高压DC转换成AC才能驱动电机，这个工作是由逆变器来完成的。为了完成DC转AC的逆变功能，逆变器至少需要6只IGBT。之前已经提及过，丰田Prius混合动力车上有2个逆变器，所以该车的逆变器中共有12只IGBT，如图31所示，每只IGBT都与1只二极管并联。这是因为，逆变器不仅具备DC转AC的逆变功能，还具备AC转DC的整流功能。其中的二极管就是逆变器处于整流功能时使用的，这将在后续发电机充电原理部分会进行介绍。下面先介绍电机驱动原理。

图31 丰田Prius混合动力车逆变器总成原理示意

电机有U、V、W3个定子线圈，每个定子线圈需要2个IGBT被触发产生磁场，而IGBT是由MG ECU输出的PWM信号来触发的。MG ECU只有准确地知道电机转子的位置，才知道触发哪一个IGBT。因此，MG ECU通过判断转子位置传感器信号来触发相应的IGBT接通。此时，动力电池阻的高压电经相应的IGBT到电机的定子线圈，定子线圈通电产生旋转的磁场。利用右手法则判定磁极，同性相斥、异性相吸使电机转子的磁铁随之转动。

假设此时定子线圈W的IGBT导通，通过控制加在定子线圈V的IGBT上的PWM信号来控制电机的电流大小和频率。当定子线圈V的IGBT导通时，电流上升，导通时间越长电机转速越快。当定子线圈V的IGBT截止时，电流下降，截止时间越长电机转速越慢。电机扭矩由电流大小控制，电机转速由电流频率控制。图32所示为某一时刻的局部逆变回路。

7.2.3 发电机充电原理

在电机作为发电机作用时，转子中产生旋转的磁场，定子线圈切割旋转的磁力线，从而定子线圈中产生电能。转子每转180°定子线圈产生的电压方向改变一次，最终产生三相交流电。然后经逆变器二极管单向导通性和优先导通性变成直流电压输出。

此时由逆变器转换的DC偏高，无法直接给动力电池组充电，仍需要通过升压转换器进行降压。降压原理和前述的升压原理正好相反，当升压转换器中相应的IGBT导通时，电抗器将电能转换为磁能，如图33所示。当升压转换器中相应的IGBT截止时，电抗器将磁能转换为电能给电容器充电，并进行了降压。当升压转换器中相应的IGBT重新导通时，电容给高压动力电池组补充充电。

7.2.4 DC/DC转换原理

图32 局部逆变回路

图33 降压原理（电转磁）

DC/DC转换器是将高压DC（201.6 V）转换成低压DC（14 V）的装置。由于不能直接将高压DC转换成低压DC，因此这个降压过程包含高压DC转高压AC（逆变）、高压AC转低压AC（变压）及低压AC转低压DC（整流）这3个过程。DC/DC转换器的内部控制电路如图34所示。晶体管桥接电路先将201.6 V的DC转换为AC，然后经变压器降压，最后经整流和滤波电路转换为14 V的DC输出。

图34 DC/DC内部控制电路