PRlUS混合動(dòng)力系統(tǒng)-變頻器

廖智多

（湖北東風(fēng)汽車技師學(xué)院）

電動(dòng)汽車的供電模式是較為復(fù)雜的。電池的充電需要直流電，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)又需要高壓的交流電，為了協(xié)調(diào)這種復(fù)雜的電力需求變頻器就因運(yùn)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(jī)，輔助電池和空調(diào)壓縮機(jī)。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(gè)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(dǎo)通壓降的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電路控制開關(guān)。內(nèi)部DC/DC負(fù)責(zé)降壓濾波對(duì)鉛酸電池充電，變頻器負(fù)責(zé)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(yùn)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(gè)模塊分別控制MG1、MG2和空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)，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(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)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(gè)模塊由六個(gè)IGBT和六個(gè)二極管構(gòu)成的三相橋式電路。

（二）工作原理

當(dāng)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(dǎo)通，對(duì)于三相繞組每只IGBT導(dǎo)通的電角度持續(xù)120°，交替控制IGBT導(dǎo)通使電流流入或流出使定子極性發(fā)生改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

例如當(dāng)電流經(jīng)過V5流入電機(jī)的W相，由V相流出。使W相電機(jī)中心方向?yàn)镹極，V相為S級(jí)，在能量回收模式下六個(gè)二極管組成的整流器將交流電整流降壓后對(duì)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(gè)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(duì)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(gè)二極管和兩個(gè)IGBT及一個(gè)電抗器組成。28個(gè)電池模塊串聯(lián)形成的201.6V電壓是不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的，需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)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(jī)的動(dòng)力不足，且電流過大燒壞電機(jī)同時(shí)發(fā)電機(jī)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(dāng)V接通時(shí)，電源將對(duì)感應(yīng)器L充電。晶體管V截止時(shí)，電源電壓和電感器L儲(chǔ)存電壓同時(shí)向圖中負(fù)載R和電容C加載。由于同一周期T內(nèi)電感器儲(chǔ)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(dǎo)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(jiǎn)化圖

在普銳斯實(shí)際的電路中當(dāng)升壓IGBT導(dǎo)通時(shí)HV蓄電池作用于電抗器L儲(chǔ)能，變頻器電路中的電容向變頻器供電保持輸出電壓。當(dāng)升壓IGBT截止，HV蓄電池和電感的電壓疊加通過二極管對(duì)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(dāng)IGBT V導(dǎo)通時(shí)電感L儲(chǔ)能，電容C兩端電為U0=E，

當(dāng)V斷開時(shí)，電感L釋放能量，從而通過續(xù)流二極管對(duì)電容器C充電，此時(shí)U0=0。由此得到電容C的負(fù)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(shí)現(xiàn)降壓。

圖2：buck降壓電路簡(jiǎn)化分析圖

在普銳斯實(shí)際降壓電路圖中將負(fù)載R等效為HV蓄電池，當(dāng)降壓控制IGBT導(dǎo)通電感L儲(chǔ)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(duì)電路中的電容器進(jìn)行充電。當(dāng)增壓控制IGBT再次導(dǎo)通對(duì)電感L儲(chǔ)能時(shí)，電容持續(xù)對(duì)HV蓄電池供電。