【汽車電子圖解】(六)探索HEV系統(tǒng)的主要部件：功率元件

1、功率元件是最重要的部件就功能和成本而言，功率元件在變頻器中是最為重要的部件。要想降低成本，如何使用小型元件是重點(diǎn)所在。元件的小型化需要降低元件產(chǎn)生的損耗。如圖6所示，對(duì)於理想開關(guān)，無(wú)論有多少電流經(jīng)過也不會(huì)產(chǎn)生損耗，而半導(dǎo)體開關(guān)一旦通入電流便會(huì)在通態(tài)電壓的作用下產(chǎn)生通態(tài)損耗。圖6：理想開關(guān)與半導(dǎo)體開關(guān)半導(dǎo)體開關(guān)一旦通入電流即產(chǎn)生損耗而且，在開/關(guān)時(shí)不會(huì)瞬間完成切換，其產(chǎn)生的一段時(shí)間（開關(guān)時(shí)間）的延遲還會(huì)造成開關(guān)損耗。由圖6可知，降低損耗有三個(gè)手段：縮小電流；降低通態(tài)電壓；縮短開關(guān)時(shí)間。下面來(lái)分別進(jìn)行說(shuō)明。縮小電流縮小功率元件電流使用的是升壓電路。以普銳斯（Prius）為例，變頻器與主電池之間設(shè)置

2、了升壓電路，其作用是將電壓提升至650V並向變頻器供電（圖7）。由於馬達(dá)的電流與電壓成反比，因此，流經(jīng)功率元件的電流也能夠縮小。繼續(xù)提高電壓雖然能進(jìn)一步縮小電流，但以絕緣為主的諸多問題會(huì)造成變頻器和馬達(dá)等部件體積增加，因此，這一程度的電壓對(duì)於車載用途較為適宜。圖7：升壓電路的結(jié)構(gòu)以Prius為例。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在於增加升壓電路的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小於縮小電流能夠減少的成本。在升壓電路中，打開下方的IGBT，電抗器開始儲(chǔ)存能量，關(guān)閉IGBT後，電壓上升。使其經(jīng)上方的二極體儲(chǔ)存于電容後，升壓完成。再生時(shí)，驅(qū)動(dòng)上方的IGBT與下方的二極體，向主電池通入電流。降低通態(tài)電壓通態(tài)電壓由開關(guān)元件的特性決定，因此需要選

3、擇最佳元件。如圖8所示，當(dāng)要求耐壓為200V以下時(shí)，功率MOSFET（金屬氧化膜半導(dǎo)體電場(chǎng)效果型電晶體）比IGBT更佳。但無(wú)論是哪種元件，耐壓越高，通態(tài)電壓也會(huì)增高，因此需要盡量選擇低耐壓元件。圖8：IGBT與功率MOSFET的特性比較晶片尺寸為5mm見方。最佳元件由要求耐壓決定。縮短開關(guān)時(shí)間降低開關(guān)損耗只需縮短開關(guān)時(shí)間即可。這可以借助柵電阻完成，電阻越小，時(shí)間越短。但是，鋻於電流變化率di/dt增加，突波電壓V隨之增加，這就需要提高元件耐壓。如此一來(lái)，好不容易縮小了開關(guān)損耗，通態(tài)損耗又會(huì)增加。如圖9所示，由於突波電壓由佈線電感L產(chǎn)生，因此，怎樣縮小電感是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。具體方式是盡可能把IGBT

4、配置在電容附近，縮短佈線長(zhǎng)度並加寬佈線。因?yàn)榛ジ行?yīng)能夠降低L，所以要採(cǎi)用使佈線（實(shí)際為母線）盡可能接近等方法。圖9：突波電壓的發(fā)生原理突波電壓由佈線電感產(chǎn)生。功率元件的小型化除了能夠降低損耗外，還能夠改善散熱性能，降低溫度。圖10給出了功率元件的安裝結(jié)構(gòu)和散熱路徑。冷卻一般為水冷方式，容量較小的元件有時(shí)也採(cǎi)用空冷方式。元件的溫度上升T是元件損耗P與熱電阻R（散熱性能的倒數(shù)）之積，由於R縮小的倍數(shù)即為損耗允許增加的倍數(shù)，因此可以使用小型元件。利用電容穩(wěn)定電流如圖11所示，電容的作用是穩(wěn)定主電池的電流。如果沒有電容，由於IGBT做開/關(guān)動(dòng)作，電流會(huì)呈現(xiàn)脈衝狀變化。當(dāng)電流關(guān)時(shí)，外部佈線電感會(huì)產(chǎn)生過

5、大的突波電壓，瞬間擊穿IGBT。而使用電容可以平穩(wěn)縮小電流，抑制突波電壓。另外，當(dāng)電流呈現(xiàn)脈衝狀時(shí)，從主電池到變頻器的佈線會(huì)發(fā)射出頻率成分複雜的噪音，干擾廣播等無(wú)線信號(hào)。穩(wěn)定電流對(duì)此也有抑制作用?？刂齐娐窞殡p系統(tǒng)構(gòu)成圖10：功率元件的安裝結(jié)構(gòu)與散熱路徑一般的水冷方式。圖11：電容的作用電容的作用是穩(wěn)定主電池的電流。圖12：控制電路的結(jié)構(gòu)由高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)雙系統(tǒng)構(gòu)成?？刂齐娐窞楦邏合到y(tǒng)和低壓系統(tǒng)構(gòu)成，高壓系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)IGBT的保護(hù)電路組成（圖12）。出於安全考慮，低壓系統(tǒng)與高壓系統(tǒng)安全利用光耦合器和變壓器進(jìn)行了電絕緣。MG·ECU通過向量控制形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)。保護(hù)電路的作用通常是檢測(cè)IGBT的過電流、短路、過熱、驅(qū)動(dòng)電壓的下降，在出現(xiàn)異常時(shí)斷開IGBT。（未完待續(xù)：特約撰稿人：山田好人，電裝 EHV機(jī)器事業(yè)部 主任部員）IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。IGBT廣泛應(yīng)用於高鐵、節(jié)能變頻、風(fēng)電、太陽(yáng)能等產(chǎn)業(yè)中。I