HEV系统的主要部件：功率元件解析

功率元件是最重要的部件

　　就功能和成本而言，功率元件在逆变器中是最为重要的部件。要想降低成本，如何使用小型元件是重点所在。

　　元件的小型化需要降低元件产生的损耗。如图6所示，对于理想开关，无论有多少电流经过也不会产生损耗，而半导体开关一旦通入电流便会在通态电压的作用下产生通态损耗。

图6：理想开关与半导体开关
半导体开关一旦通入电流即产生损耗。

　　而且，在开/关时不会瞬间完成切换，其产生的一段时间（开关时间）的延迟还会造成开关损耗。由图6可知，降低损耗有三个手段：①缩小电流；②降低通态电压；③缩短开关时间。下面来分别进行说明。

①缩小电流

　　缩小功率元件电流使用的是升压电路。以普锐斯（Prius）为例，逆变器与主电池之间设置了升压电路，其作用是将电压提升至650V并向逆变器供电（图7）。由于马达的电流与电压成反比，因此，流经功率元件的电流也能够缩小。继续提高电压虽然能进一步缩小电流，但以绝缘为主的诸多问题会造成逆变器和马达等部件体积增加，因此，这一程度的电压对于车载用途较为适宜。

　　图7：升压电路的结构
以“普锐斯”为例。

　　这种方式的优点在于增加升压电路的成本远远小于缩小电流能够减少的成本。

　　在升压电路中，打开下方的IGBT，电抗器开始储存能量，关闭IGBT后，电压上升。使其经上方的二极管储存于电容后，升压完成。再生时，驱动上方的IGBT与下方的二极管，向主电池通入电流。

②降低通态电压

　　通态电压由开关元件的特性决定，因此需要选择最佳元件。如图8所示，当要求耐压为200V以下时，功率MOSFET（金属氧化膜半导体电场效果型晶体管）比IGBT更佳。但无论是哪种元件，耐压越高，通态电压也会增高，因此需要尽量选择低耐压元件。

③缩短开关时间

　　降低开关损耗只需缩短开关时间即可。这可以借助栅电阻完成，电阻越小，时间越短。

　　但是，鉴于电流变化率di/dt增加，浪涌电压ΔV随之增加，这就需要提高元件耐压。如此一来，好不容易缩小了开关损耗，通态损耗又会增加。

图8：IGBT与功率MOSFET的特性比较
芯片尺寸为5mm见方。最佳元件由要求耐压决定。

　　如图9所示，由于浪涌电压由布线电感L产生，因此，怎样缩小电感是设计的重点。具体方式是尽可能把IGBT配置在电容附近，缩短布线长度并加宽布线。因为互感效应能够降低L，所以要采用使＋－布线（实际为母线）尽可能接近等方法。

图9：浪涌电压的发生原理
浪涌电压由布线电感产生。

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　　功率元件的小型化除了能够降低损耗外，还能够改善散热性能，降低温度。图10给出了功率元件的安装结构和散热路径。冷却一般为水冷方式，容量较小的元件有时也采用空冷方式。元件的温度上升ΔT是元件损耗P与热电阻R（散热性能的倒数）之积，由于R缩小的倍数即为损耗允许增加的倍数，因此可以使用小型元件。

利用电容稳定电流

　　如图11所示，电容的作用是稳定主电池的电流。如果没有电容，由于IGBT做开/关动作，电流会呈现脉冲状变化。当电流关时，外部布线电感会产生过大的浪涌电压，瞬间击穿IGBT。

　　而使用电容可以平稳缩小电流，抑制浪涌电压。另外，当电流呈现脉冲状时，从主电池到逆变器的布线会发射出频率成分复杂的噪音，干扰广播等无线信号。稳定电流对此也有抑制作用。

控制电路为双系统构成

图10：功率元件的安装结构与散热路径
一般的水冷方式。

图11：电容的作用
电容的作用是稳定主电池的电流。

　　图12：控制电路的结构
由高压系统与低压系统双系统构成。

　　控制电路为高压系统和低压系统构成，高压系统由驱动IGBT的驱动电路和保护IGBT的保护电路组成（图12）。出于安全考虑，低压系统与高压系统安全利用光耦合器和变压器进行了电绝缘。MG·ECU通过向量控制形成驱动信号。保护电路的作用通常是检测IGBT的过电流、短路、过热、驱动电压的下降，在出现异常时断开IGBT。