PRlUS混合动力系统-变频器

廖智多

（湖北东风汽车技师学院）

电动汽车的供电模式是较为复杂的。电池的充电需要直流电，电机的驱动又需要高压的交流电，为了协调这种复杂的电力需求变频器就因运而生。普锐斯的变频器它就像一座桥梁沟通联系着HV蓄电池，电机，辅助电池和空调压缩机。普锐斯变频器总成包含变频器、DC/DC转换器、增降压转换器和空调变频器。

一、变频器总成结构解析

变频器总成内部是由多个智能功率模块（IPM）构成，IPM内部的控制电路采用的是可以耐高压的绝缘栅双极型晶体管（IGBT），IGBT由BJT和MOSFET组成因此具有高输入阻抗即耐高压且开关速度快和低导通压降的特点，广泛应用于电动汽车的电路控制开关。内部DC/DC负责降压滤波对铅酸电池充电，变频器负责电压逆变工作。增压转换器将根据电压需求在201.6V到500V间转换。空调变频器也整合在变频器总成上，用于完成空调系统运行工作。

二、变频器

（一）结构及作用

普锐斯的变频器有三个模块分别控制MG1、MG2和空调压缩机电机，将升压后的高压直流电通过IPM的逆变作用转化为交流的高压电驱动电机运转，对HV蓄电池充电所需的直流电也需要变频器的逆变作用降低发电产生的高压交流电转为直流电。每个模块由六个IGBT和六个二极管构成的三相桥式电路。

（二）工作原理

当命名为其内部IGBT分别为V1-V6，二极管命名为D1-D6。其结构类似于整流二极管由HV ECU电压输入控制IGBT的导通，对于三相绕组每只IGBT导通的电角度持续120°，交替控制IGBT导通使电流流入或流出使定子极性发生改变驱动电机。

例如当电流经过V5流入电机的W相，由V相流出。使W相电机中心方向为N极，V相为S级，在能量回收模式下六个二极管组成的整流器将交流电整流降压后对HV电池充电。

三、直流转换器

（一）结构和作用

直流转换器的结构由四个功率管、变压器，整流二极管和滤波电路构成。其主要是将HV电池的201.6V高压电降压为12V对12V的铅酸蓄电池充电维持车身电器工作。

（二）工作原理

首先将HV电池的直流电变为交流电原理与变频器类似，然后通过固定匝数比的变压器将201伏转化为12伏交流电，再通过二极管整流后，由滤波电路消去下降沿转化为直流电。

四、升压转换器

（一）结构和作用

其结构主要由两个二极管和两个IGBT及一个电抗器组成。28个电池模块串联形成的201.6V电压是不足以驱动电机的，需要根据电动机不同的转矩和转速需求经升压器升高到所需电压，否则电机的动力不足，且电流过大烧坏电机同时发电机输出的最高500V的电压通过降压转换器电路降低至201.6V 用于HV蓄电池充电。

（二）工作原理

1.升压原理

图1 为boost升压电路，L表示电感，V表示IGBT，C代表电容。当V接通时，电源将对感应器L充电。晶体管V截止时，电源电压和电感器L储存电压同时向图中负载R和电容C加载。由于同一周期T内电感器储存等于释放的能量平衡得到，由于定义α+β=1其中α表示V导通的占空比，整理得到。由此可知只要控制V的占空比即脉宽调制PWM就可以控制电压。

图1：Boost升压电路简化图

在普锐斯实际的电路中当升压IGBT导通时HV蓄电池作用于电抗器L储能，变频器电路中的电容向变频器供电保持输出电压。当升压IGBT截止，HV蓄电池和电感的电压叠加通过二极管对变频器升压电路电容充电并向变频器输出500V 的高压直流电。

2.降压原理

如图2直流斩波降压电路当IGBT V导通时电感L储能，电容C两端电为U0=E，

当V断开时，电感L释放能量，从而通过续流二极管对电容器C充电，此时U0=0。由此得到电容C的负载电压。其中为上述提到占空比，由于小于1，所以控制就可以实现降压。

图2：buck降压电路简化分析图

在普锐斯实际降压电路图中将负载R等效为HV蓄电池，当降压控制IGBT导通电感L储能，IGBT在截止后其内部电感L中的电流通过续流二极管对电路中的电容器进行充电。当增压控制IGBT再次导通对电感L储能时，电容持续对HV蓄电池供电。