HEV系統(tǒng)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，功率元件在逆變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，對于理想開關(guān)，無論有多少電流經(jīng)過也不會產(chǎn)生損耗，而半導(dǎo)體開關(guān)一旦通入電流便會在通態(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）的延遲還會造成開關(guān)損耗。由圖6可知，降低損耗有三個(gè)手段：①縮小電流；②降低通態(tài)電壓；③縮短開關(guān)時(shí)間。下面來分別進(jìn)行說明。

①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，逆變器與主電池之間設(shè)置了升壓電路，其作用是將電壓提升至650V并向逆變器供電（圖7）。由于馬達(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造成逆變器和馬達(dá)等部件體積增加，因此，這一程度的電壓對于車載用途較為適宜。

　　圖7：升壓電路的結(jié)構(gòu)
以“普銳斯”為例。

　　這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于增加升壓電路的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于縮小電流能夠減少的成本。

　　在升壓電路中，打開下方的IGBT，電抗器開始儲存能量，關(guān)閉IGBT后，電壓上升。使其經(jīng)上方的二極管儲存于電容后，升壓完成。再生時(shí)，驅(qū)動上方的IGBT與下方的二極管，向主電池通入電流。

②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)體電場效果型晶體管）比IGBT更佳。但無論是哪種元件，耐壓越高，通態(tài)電壓也會增高，因此需要盡量選擇低耐壓元件。

③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，鑒于電流變化率di/dt增加，浪涌電壓ΔV隨之增加，這就需要提高元件耐壓。如此一來，好不容易縮小了開關(guān)損耗，通態(tài)損耗又會增加。

圖8：IGBT與功率MOSFET的特性比較
芯片尺寸為5mm見方。最佳元件由要求耐壓決定。

　　如圖9所示，由于浪涌電壓由布線電感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配置在電容附近，縮短布線長度并加寬布線。因?yàn)榛ジ行?yīng)能夠降低L，所以要采用使＋－布線（實(shí)際為母線）盡可能接近等方法。

圖9：浪涌電壓的發(fā)生原理
浪涌電壓由布線電感產(chǎn)生。