HEV/EV功率轉換器PI篇1：PI的主要功能與架構

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郁輝 汽車工程聯盟

PI是Power Inverter的縮寫，中文可翻譯成功率逆變器。它是HEV和EV的關鍵零部件，決定了駕駛行為和車輛的能源效率。PI主要的功能就是電機控制的實現和再生能量的回收。

為了闡述清PI的功能，我們先來看下電動汽車EV的電動力總成最簡系統架構。（由於筆者之前從事相當長一段時間的傳統內燃機動力系統的開發，在闡述時會不自覺把新能源動力總成和傳統內燃機系統作比較，請見諒。）

圖1. 電驅系統的三個主要部件

如圖1所示，純電汽車EV的電動力總成系統由三個主要部件組成：電池系統、電機和功率逆變器。電池系統是能量的儲存和供應，這一部分相當於內燃機動力系統的燃油系統：油箱、油路、油泵、油軌和噴油器；電池輸出直流電流，通過BMS（BCU + DCDC），提供高壓和低壓直流輸出，其中高壓部分通過逆變器PI被轉換成三相交流電，並由PI輸出控制電動機的工作。PI的工作相當於傳統發動機系統的發動機電控系統的一部分功能，而電機相當於傳統的內燃機功能。PI + 電機，組成了電驅系統，這是電動汽車的關鍵技術和共性技術。

下面，我們來討論下PI的系統架構，這裡只討論純PI的系統硬體架構。有些OEM把VCU部分和PI集成在一起，稱之為EDU（E drive Unit），在此不做討論。

圖2. PI的系統硬體架構圖

圖2是典型的PI系統硬體架構圖。如圖所示，系統可簡單分成高壓電機驅動（能量回收部分）和低壓控制部分。DCDC模塊提供PI所需的高壓HV和低壓LV電源，低壓電源輸入經過PI的電源管理模塊Power Supply Module，輸出3.3V, 5V, 15V作為控制電路（uC, Isolater, HS/LS， CAN Bus等）的電源；uC作為主控晶元，通過CAN獲取VCU的操作信號後控制Gate Driver電路，進而控制電機的動作； uC通過監控相電流和功率管的溫度，做IGBT模塊的溫度保護，也同時檢測各晶元及控制板PCB的問題，對ECU進行溫度保護。以下是一些應用的實用特性：

-- 控制板和Gate驅動通常做成兩塊電路板，方便內部布置（當然也可以做成一塊）。

-- 低壓控制模塊和高壓Gate Driver需要使用兩塊單獨控制器（功能安全要求，一般PI定義成ASIL C或D）

-- 高低壓HV/LV需要做隔離處理，包括相電流測量電路/Gate驅動/用於控制LV和Gate驅動端的電源/兩款MCU的電源和通訊

-- DC Link電容：輸出電壓進行平滑濾波；防止電壓過沖和瞬時過電壓對IGBT的影響。

-- 電機溫度感測器需要單獨兩個，反饋給PI（功能安全要求）

-- 功率模塊：

1. MOSFET：低電壓（200V以下），高開關頻率應用。導通壓降低，開關損耗低
2. IGBT：高電壓，低開關頻率應用（400V/800V）。導通壓降高，開關損耗低。
3. 新應用：SiC MOSFET，抗高溫，高壓（1200V），高開關頻率，高效率。

-- IGBT選用： 有Infineon，ROHM，Mitsubishi。目前做到的項目里，採用Infineon的IGBT模塊比較多，不過對於一些尺寸要求高的應用，會採用Mitsubishi的IGBT，當然成本也會增加。

-- 挑戰：降低開關損耗和散熱設計一直是PI開發的難點。

最後，個人總結了以下傳統發動機系統和純電車動力總成開發的異同，供想轉型和已經轉型的同行們參考。

參考文獻

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