何濤　曾孟軍　王信銳　朱萬(wàn)炫　劉紅江

摘 要：DC/AC變換電路作為新能源汽車上的核心電路之一，在實(shí)車上，由于集成度高、高電壓等特性，非常不利于初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)。本文中設(shè)計(jì)的DC/AC變換電路教學(xué)模型，學(xué)生不僅能直觀認(rèn)識(shí)其主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，而且還能通過(guò)預(yù)留的接線端子進(jìn)行電路再次搭建和測(cè)量其關(guān)鍵信號(hào)線上的電路參數(shù)，進(jìn)而快速掌握DC/AC變換電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，為后續(xù)實(shí)車故障診斷打下較好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) DC/AC電路 驅(qū)動(dòng)電路 新能源汽車

1 引言

隨著化石燃料的不斷枯竭，新能源汽車的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]，截止2022年底，我國(guó)新能源汽車保有量達(dá)到1310萬(wàn)輛，這么龐大數(shù)量新能源汽車的應(yīng)用，需要大量技術(shù)服務(wù)人員，特別是售后服務(wù)技術(shù)人員，大都來(lái)自于職業(yè)教育，所以，職業(yè)教育的水平狀況，在一定層度上決定著新能源汽車后市場(chǎng)的服務(wù)能力。電機(jī)、電池、電控作為新能源汽車的三大核心[2]，不同品牌、不同年份的新能源汽車在裝配結(jié)構(gòu)上有一定的差異，但基本的功能模塊大致相當(dāng)，新能源汽車電控系統(tǒng)由于集成度高，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中幾乎只能看到其外觀，不能直觀看清內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更不能快速理解其工作原理。

2 DC/AC變換電路教學(xué)介紹

新能源汽車電控系統(tǒng)，無(wú)論什么樣的裝配形式，其主要的模塊包括車載充電機(jī)（OBC）、高壓配電盒、DC/DC和電機(jī)控制器[3][4]，電機(jī)控制器內(nèi)部重要的電路模塊就是DC/AC逆變電路，因?yàn)槟壳靶履茉雌囍饕哪芰看鎯?chǔ)裝置是動(dòng)力電池，動(dòng)力電池能量的存儲(chǔ)和釋放都是以直流電的方式體現(xiàn)的，但進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)幾乎都是交流電機(jī)，這就需要DC/AC變換電路把直流電轉(zhuǎn)換成交流電給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。DC/AC變換電路內(nèi)容的教學(xué)如果全在實(shí)車上進(jìn)行，有以下幾方面的缺點(diǎn)：一是沒(méi)有生產(chǎn)企業(yè)提供的核心零部件設(shè)計(jì)資料，即使拆卸掉電控系統(tǒng)的外殼，也很難分清楚內(nèi)部電路板上的每一個(gè)電路元器件，導(dǎo)致對(duì)整個(gè)工作電路結(jié)構(gòu)不能直觀認(rèn)識(shí)；二是新能源汽車的實(shí)車電路具有高壓特性，學(xué)生和教師的安全得不到絕對(duì)保證；三是實(shí)車上幾乎都沒(méi)有預(yù)留測(cè)量點(diǎn)，導(dǎo)致不能用萬(wàn)用表、示波器等工具對(duì)其電路參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而就不更好的對(duì)其原理進(jìn)行理解。

如圖1所示，現(xiàn)階段DC/AC變換電路教學(xué)幾乎都是以該圖為中心，首先介紹三相橋式逆變電路的電路元器件主要包括V1、V2、V3、V4、V5、V66個(gè)三端器件IGBT和VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD66個(gè)功率二極管，然后以180°導(dǎo)電方式或120°導(dǎo)電方式給6個(gè)IGBT的柵極提供控制信號(hào)，一定規(guī)律的控制信號(hào)就會(huì)讓6個(gè)IGBT按照一定的規(guī)律導(dǎo)通，最后在三相負(fù)載端經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的濾波就可以得到三相交流電源。雖然教師可以借助多媒體動(dòng)畫等方式盡可能比較直觀展示其結(jié)構(gòu)和工作原理，但學(xué)生畢竟不能親眼看清楚實(shí)物結(jié)構(gòu)和用萬(wàn)用表等工具測(cè)量關(guān)鍵的電路參數(shù)，最終很難真正理解DC/AC的變換過(guò)程，進(jìn)而達(dá)不到學(xué)習(xí)的目的。

3 教學(xué)模型設(shè)計(jì)思路

如圖1所示，在平常的教學(xué)中，對(duì)于三端器件IGBT柵極端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，一般都是假設(shè)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)的存在，本DC/AC教學(xué)模型的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)電路產(chǎn)生，且預(yù)留單片機(jī)引腳接線端子以便接線和測(cè)量控制信號(hào)。對(duì)于主逆變電路，V2、V4和V6的柵極控制信號(hào)相對(duì)比較容易理解，但V1、V3和V5的控制信號(hào)，如果簡(jiǎn)單用單片機(jī)輸出引腳去控制V1、V3和V5的柵極，肯定是行不通的，所以本DC/AC教學(xué)模型上就設(shè)計(jì)了隔離驅(qū)動(dòng)電路，而且預(yù)留接線端子，學(xué)生可以直觀看清楚驅(qū)動(dòng)電路的電路結(jié)構(gòu)，且能對(duì)其相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于橋式逆變主電路，實(shí)車應(yīng)用都是出于高電壓狀態(tài)，本教學(xué)模型為了保證師生的絕對(duì)安全，在保證控制規(guī)律一致的情況下，把電壓降到安全電壓以下，既保證了師生的安全，又能夠直觀認(rèn)識(shí)主電路結(jié)構(gòu)和測(cè)量相應(yīng)的電信號(hào)，總體設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

4 教學(xué)模型結(jié)構(gòu)

4.1 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路如圖3所示，用于產(chǎn)生DC/AC變換的控制信號(hào)，單片機(jī)選用師生比較熟悉的51單片機(jī)STC89C516RD+，用單片機(jī)的P2.0-P2.5六只引腳作為輸出信號(hào)引腳，從圖4所示的PCB板可知，U+Lin、U+Hin、V+Lin、V+Hin、W+Lin、W+Hin作為預(yù)留接線端子，學(xué)生可通過(guò)這些預(yù)留端子測(cè)量相應(yīng)的電信號(hào)。

4.2 隔離驅(qū)動(dòng)電路

隔離驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，主要用于解決橋式逆變電路上橋臂IGBT控制信號(hào)的參考電位，驅(qū)動(dòng)電路的核心芯片選擇EG3012，EG3012是一款高性價(jià)比的大功率MOS管、IGBT管柵極驅(qū)動(dòng)專用芯片[5]，如圖6所示U-Lin、U-Hin、V-Lin、V-Hin、W-Lin、W-Hin、HO1+、VS1+、LO1+、HO2+、VS2+、LO2+、HO3+、VS3+、LO3+作為預(yù)留接線端子，其中U-Lin、U-Hin、V-Lin、V-Hin、W-Lin、W-Hin分別用于連接單片機(jī)控制電路的U+Lin、U+Hin、V+Lin、V+Hin、W+Lin、W+Hin。

4.3 橋式逆變主電路

如圖7所示，橋式逆變電路的核心是6個(gè)IGBT，HO1-、VS1-、LO1-、HO2-、VS2-、LO2-、HO3-、VS3-、LO3-為橋式逆變電路的9個(gè)預(yù)留端子，在實(shí)訓(xùn)練習(xí)時(shí)，分別和HO1+、VS1+、LO1+、HO2+、VS2+、LO2+、HO3+、VS3+、LO3+相連，既讓學(xué)生熟悉了電路結(jié)構(gòu)，又方便使用萬(wàn)用表、示波器等工具對(duì)其主要的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而深入掌握其工作原理，對(duì)應(yīng)的PCB班如圖8所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)的DC/AC變換電路教學(xué)模型主要包括單片機(jī)控制電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路和橋式逆變主電路三個(gè)部分，單片機(jī)控制電路用于產(chǎn)生逆變主電路中IGBT的控制信號(hào)，隔離驅(qū)動(dòng)電路用于隔離主電路中上橋臂IGBT的接地，橋式逆變主電路用于把直流電逆變?yōu)榻涣麟?。通過(guò)該電路模型，學(xué)生既能直觀看清楚電路結(jié)構(gòu)，又能通過(guò)預(yù)留的接線端子搭建電路加深對(duì)電路結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，還能通過(guò)接線端子的金屬裸露處，利用萬(wàn)用表、示波器測(cè)量相應(yīng)電信號(hào)，進(jìn)而快速理解DC/AC變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理。

基金項(xiàng)目：2022年度院級(jí)課題《一種新能源汽車DC/AC變換電路教學(xué)模型設(shè)計(jì)》（編號(hào)：2022-ZZJK-01）。

參考文獻(xiàn)：

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