無錫汽車工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 吳書龍

7 變頻器

變頻器是控制動(dòng)力電池組與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間電量傳遞的設(shè)備，既可將動(dòng)力電池組的直流電（DC）逆變成交流電（AC）以給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，也可將制動(dòng)回收時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的AC整流成DC為動(dòng)力電池組充電。它是整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部分。不同汽車制造商常常用自己的專業(yè)名稱來命名變頻器，例如，通用的“驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率變頻器模塊”、現(xiàn)代的“電機(jī)控制單元”、豐田的“帶轉(zhuǎn)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(huì)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(dòng)力車上的逆變器總成為例，介紹其結(jié)構(gòu)和原理。

7.1 豐田Prius混合動(dòng)力車逆變器總成的結(jié)構(gòu)和功能

豐田Prius混合動(dòng)力車逆變器總成外觀如圖28所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖29所示。豐田Prius混合動(dòng)力車逆變器總成內(nèi)部為多層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，主要由電容、智能動(dòng)力模塊（IPMs）、電抗器、電機(jī)控制單元（MG ECU）及DC/DC轉(zhuǎn)換器等組成，如圖30所示。

（1）逆變器和升壓轉(zhuǎn)換器。逆變器就是變頻器。由于豐田Prius混合動(dòng)力車上有2個(gè)電機(jī)，發(fā)電機(jī)MG1和電動(dòng)機(jī)MG2，所以有2個(gè)逆變器總成，分別用來控制MG1和MG2。當(dāng)MG1和MG2用作電動(dòng)機(jī)時(shí)，動(dòng)力電池組的DC（201.6 V）先經(jīng)過升壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成高壓DC（650 V），然后逆變器將經(jīng)過升壓轉(zhuǎn)換器增壓后的高壓DC（650 V）轉(zhuǎn)換成AC（650 V）來驅(qū)動(dòng)MG1和MG2。當(dāng)MG1和MG2用作發(fā)電機(jī)時(shí)，電機(jī)中產(chǎn)生的AC（650 V）通過逆變器轉(zhuǎn)換為DC（650 V），然后經(jīng)升壓轉(zhuǎn)換器降至201.6 V的DC以對(duì)動(dòng)力電池組充電。

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

圖28 豐田Prius混合動(dòng)力車逆變器總成的外觀

圖29 豐田Prius混合動(dòng)力車逆變器總成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖30 豐田Prius混合動(dòng)力車逆變器總成內(nèi)部組成

（2）DC/DC轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器是將來自于動(dòng)力電池組或電機(jī)的高壓DC（201.6 V）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的工作。

（4）電容。新能源汽車變頻器都會(huì)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(nèi)部的電路進(jìn)行放電處理，自放電過程可能需要5 min～10 min的時(shí)間。對(duì)于需要在車輛的變頻器或電機(jī)電路上進(jìn)行作業(yè)的技術(shù)人員而言，必須等電容器完成放電作業(yè)后，方能進(jìn)行工作。

7.2 豐田Prius混合動(dòng)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(guān)閉，從而將DC轉(zhuǎn)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(dǎo)體效應(yīng)晶體管（MOSFET）。豐田Prius混和動(dòng)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(zhuǎn)換器完成的。升壓轉(zhuǎn)換器主要包括智能電源模塊（IPM）和電抗器，IPM內(nèi)置IGBT，如圖31所示。由MG ECU輸出頻率為5 kHz的脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）來控制相應(yīng)的IGBT的導(dǎo)通或截止。當(dāng)相應(yīng)的IGBT導(dǎo)通時(shí)，電抗器被連接到動(dòng)力電池組的高壓正、負(fù)電路之間，動(dòng)力電池組給電抗器充電，此時(shí)電抗器自感線圈將電能轉(zhuǎn)化為磁能并存儲(chǔ)。當(dāng)相應(yīng)的IGBT截止時(shí)，電抗器就被切換連接到向逆變器的IGBT進(jìn)行供電的高壓正、負(fù)電路上。此時(shí)，由于電抗器中的充電電流消失，其自感線圈內(nèi)部磁場(chǎng)發(fā)生變化，磁場(chǎng)增強(qiáng)，從而由電抗器轉(zhuǎn)換給逆變器的電壓就升高了。

7.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

豐田Prius混合動(dòng)力車的電機(jī)是三相交流永磁同步電機(jī)。所以，必須將動(dòng)力電池組提供的高壓DC轉(zhuǎn)換成AC才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這個(gè)工作是由逆變器來完成的。為了完成DC轉(zhuǎn)AC的逆變功能，逆變器至少需要6只IGBT。之前已經(jīng)提及過，豐田Prius混合動(dòng)力車上有2個(gè)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(lián)。這是因?yàn)?，逆變器不僅具備DC轉(zhuǎn)AC的逆變功能，還具備AC轉(zhuǎn)DC的整流功能。其中的二極管就是逆變器處于整流功能時(shí)使用的，這將在后續(xù)發(fā)電機(jī)充電原理部分會(huì)進(jìn)行介紹。下面先介紹電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理。

圖31 豐田Prius混合動(dòng)力車逆變器總成原理示意

電機(jī)有U、V、W3個(gè)定子線圈，每個(gè)定子線圈需要2個(gè)IGBT被觸發(fā)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而IGBT是由MG ECU輸出的PWM信號(hào)來觸發(fā)的。MG ECU只有準(zhǔn)確地知道電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，才知道觸發(fā)哪一個(gè)IGBT。因此，MG ECU通過判斷轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)來觸發(fā)相應(yīng)的IGBT接通。此時(shí)，動(dòng)力電池阻的高壓電經(jīng)相應(yīng)的IGBT到電機(jī)的定子線圈，定子線圈通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。利用右手法則判定磁極，同性相斥、異性相吸使電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁鐵隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。

假設(shè)此時(shí)定子線圈W的IGBT導(dǎo)通，通過控制加在定子線圈V的IGBT上的PWM信號(hào)來控制電機(jī)的電流大小和頻率。當(dāng)定子線圈V的IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流上升，導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。當(dāng)定子線圈V的IGBT截止時(shí)，電流下降，截止時(shí)間越長(zhǎng)電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢。電機(jī)扭矩由電流大小控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速由電流頻率控制。圖32所示為某一時(shí)刻的局部逆變回路。

7.2.3 發(fā)電機(jī)充電原理

在電機(jī)作為發(fā)電機(jī)作用時(shí)，轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，定子線圈切割旋轉(zhuǎn)的磁力線，從而定子線圈中產(chǎn)生電能。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)180°定子線圈產(chǎn)生的電壓方向改變一次，最終產(chǎn)生三相交流電。然后經(jīng)逆變器二極管單向?qū)ㄐ院蛢?yōu)先導(dǎo)通性變成直流電壓輸出。

此時(shí)由逆變器轉(zhuǎn)換的DC偏高，無法直接給動(dòng)力電池組充電，仍需要通過升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行降壓。降壓原理和前述的升壓原理正好相反，當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器中相應(yīng)的IGBT導(dǎo)通時(shí)，電抗器將電能轉(zhuǎn)換為磁能，如圖33所示。當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器中相應(yīng)的IGBT截止時(shí)，電抗器將磁能轉(zhuǎn)換為電能給電容器充電，并進(jìn)行了降壓。當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器中相應(yīng)的IGBT重新導(dǎo)通時(shí)，電容給高壓動(dòng)力電池組補(bǔ)充充電。

7.2.4 DC/DC轉(zhuǎn)換原理

圖32 局部逆變回路

圖33 降壓原理（電轉(zhuǎn)磁）

DC/DC轉(zhuǎn)換器是將高壓DC（201.6 V）轉(zhuǎn)換成低壓DC（14 V）的裝置。由于不能直接將高壓DC轉(zhuǎn)換成低壓DC，因此這個(gè)降壓過程包含高壓DC轉(zhuǎn)高壓AC（逆變）、高壓AC轉(zhuǎn)低壓AC（變壓）及低壓AC轉(zhuǎn)低壓DC（整流）這3個(gè)過程。DC/DC轉(zhuǎn)換器的內(nèi)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(zhuǎn)換為AC，然后經(jīng)變壓器降壓，最后經(jīng)整流和濾波電路轉(zhuǎn)換為14 V的DC輸出。

圖34 DC/DC內(nèi)部控制電路