电动汽车节能和性能提升的关键在于电路

将交流电转换为直流电的电路称为转换器。一个典型的例子是连接到计算机电源线上的交流转换器。相反，将直流电转换为交流电的电路称为逆变器。

逆变器与转换器相反。可以毫不夸张地说，这些简单命名的电路元件的演变将决定从发动机驱动汽车向电动汽车过渡的成败，而电动汽车正在世界各地推广（图1）。一个好的逆变器是必要的，它可以有效地利用电池中存储的电力来长途行驶，踩油门时加速平稳舒适，并减轻汽车的重量和增加车内空间。

【图1】逆变器是决定电动汽车性能的关键部件
安装在日产电动汽车“Leaf”上的逆变器（上），
逆变器在电动汽车中的作用（下）
来源：日产汽车新闻稿

逆变器到底是什么？

逆变器不仅用于电动汽车，还用于各种设备和电气系统的节电，例如家用空调、工厂机械和太阳能发电系统。我想很多人都听说过逆变器这个名字，但很少有人知道它是一种什么样的电路，或者为什么它对于省电至关重要。首先，我想解释一下逆变器的工作原理及其作用。这是理解电动汽车内部工作原理所必需的知识，因此我将对其进行详细解释。

最重要的是，我想介绍一下使用新材料的半导体逆变器。

电力需要以适合各种情况的形式进行处理，例如发电、电力传输和电力存储。这不仅适用于汽车内部，也适用于所有电气和电子设备。当我们谈论电的形式时，许多人可能不知道我们的意思。例如，即使在使用相同功率100W的设备中，有些设备（例如计算机）使用20V和5A的直流电压，而另一些设备（例如灯泡）使用交流电压。^*1还有使用 100V 和 1A 的设备。另外，通过交流，能够改变极性变化的周期(频率)、极性变化的定时(相位)等各种参数。这些差异在这里被称为电的形式。

动力的表现形式是设备的性能、功耗、可靠性^*2，甚至断电程度^*3因此，在将电力从发电厂传输到消耗它的设备时，形状会根据经过的设备类型和使用场景多次变化。这个过程称为功率转换。电动汽车的电力系统也是如此，电力在从电池发送到电机和各种车载设备时会进行多次转换。

直流电源在功率转换方面的自由度较低，因为决定其形状的唯一参数是电压和电流值。相比之下，交流电有多种可以改变的参数，可以轻松创建适合您用途的电源形式。因此，在通过电力转换来改变电力的特性时，通常使用逆变器将其转换为交流电。

通过小心地切换开关来产生交流电

将以最简单配置的逆变器的基本操作为例进行说明（图2）。逆变器由至少四个如图所示排列的开关组成（全桥电路）^*4）。将直流电源连接到电路上，在电路中制作一对对角位置的开关（图中的s1和s4或s2和s3），并定期重复“开”和“关”，以便当一对处于“开”状态时，另一对始终处于“关”状态。然后，流过中心负载的电流的方向根据开关的开关操作而改变。换句话说，流过负载的电流从直流变为交流。

【图2】最简单的逆变电路原理图
创建者：伊藤元明

一般来说，交流电的理想波形是电压平滑变化的正弦波。然而，简单地打开和关闭开关所产生的交流电会产生锯齿波，与正弦波相差甚远。长此以往，电机就难以顺利转动。

因此，输入每秒数万次打开和关闭开关的脉冲作为控制开关打开和关闭的信号，并通过控制脉冲宽度（“开”和“关”的比率）来调整波形。这种控制方法称为脉冲宽度调制 (PWM) 控制（图 3）。这种方法不仅广泛用于电动汽车，还广泛用于控制为空调和机床等各种设备提供动力的电机。

[图3]脉宽调制控制原理
创建者：伊藤元明

逆变器在电动汽车中的作用

正如上次所解释的，交流同步电机通常用作电动汽车中轮胎旋转的动力源。在该电机中，电流方向定期变化的交流电会引起电机内部磁场的变化，从而将其转换为旋转运动。然而，为电动汽车提供动力的锂离子电池的输出是直流电，例如288V、350V或650V。因此，当然需要一个将直流电转换为交流电的组件，而电动汽车总是配备逆变器。^*5*6。

交流同步电机在接受交流电供电时，可以产生旋转运动。此时，通过改变交流电源的供电形式，可以精确控制电机的运动、转速等。这种控制是电动汽车的一项重要技术，因为电动汽车需要电机在较宽的转速范围内运行。

在发动机汽车中，除非从低档逐渐增加转速，否则无法产生高扭矩。另一方面，电动汽车通过仔细控制逆变器，能够在启动时从低转速范围产生最大扭矩，并极其平稳地提高转速。

开关需要坚固的晶体管

电动汽车逆变器使用晶体管作为开关。

在电动汽车中，相当高的电压和大电流通过构成逆变器的开关。在典型的电动汽车中，锂离子电池的288V输出电压会升压至400V直流电压进行驱动，从而将电流值降低一定量，从而最大限度地减少损耗。另外，流经器件的电流为300A的大电流，工作时会产生很高的热量。因此，组成逆变器的晶体管必须在很多方面都选择坚固的，能够承受这些高电压、大电流和高温。

此外，为了执行 PWM 控制，每秒切换 10,000 次以上的能力至关重要。能够处理如此高速运行的典型晶体管是 MOSFET^*7然而，它缺乏承受高电压、大电流和高温的可靠性，无法驱动为电动汽车提供动力的高输出电机。尝试简单地通过改变元件的尺寸来提高鲁棒性需要使元件内的电流路径足够长，这会增加内阻并增加功率损耗。因此，当前的电动汽车经常使用IGBT（绝缘栅双极晶体管），这是一种具有超高速开关特性和高耐压结构的功率半导体（图4）。 IGBT 输入部分采用 MOS 结构，输出部分采用双极性^*8它是一个具有结构的晶体管。

【图4】IGBT结构及实际IGBT封装照片
来源：罗姆材料（左），三菱电机新闻稿（右）

此外，二极管与用作开关的每个晶体管并联放置。这是为了保护晶体管，允许即使在开关关闭后也会流动的电流流回电路。起到这种作用的二极管称为续流二极管。

根据驾驶条件和操作生成用于 PWM 控制的脉冲

控制用于 PWM 控制的逆变器中晶体管的操作的脉冲是通过使用控制微控制器创建的，根据加速器操作、电机旋转和传感器检测到的负载等信息以及驱动电机的电力电流值等数据导出最佳条件（图 5）。和栅极驱动器 IC^*9操作逆变器电路中的晶体管

[图5]电动汽车电机驱动系统配置
创建者：伊藤元明

电动汽车使用三相交流电机提供动力。三相交流电是一种适合驱动电机的交流电源，是由频率、电压相同但相位差120度的三种交流电组成的一组。单相交流电机往往旋转不均匀，不仅不能产生太大的输出，而且在开始旋转时需要辅助来确定旋转方向。三相交流电机不存在这些问题，因此许多高输出电机，不仅仅是电动汽车，都是由三相交流驱动的。当然，与此相适应，逆变器也需要是三相交流电路，因此驱动一台电机的逆变器由六个晶体管组成。

逆变器的发展使电动汽车更具吸引力

电动汽车逆变器需要不断发展，以更高的精度和效率驱动电机。此外，小型化和轻量化也极其重要。减小汽车内部部件的尺寸和重量不仅可以提高能源效率，也是实现车辆敏捷运动的重要因素。此外，这还将扩大车辆的内部空间，提高舒适性和便利性。

电动汽车逆变器处理的电流比普通家用空调大 15 倍以上。因此，产生的热量较大，需要较大的冷却装置来维持正常工作。除了减小逆变器本身的尺寸和重量外，减小这些外围部件的尺寸和重量也至关重要。如何抑制热量的产生以及如何有效地散热就变得很重要。

新材料SiC提高逆变器性能

作为应对这些电动汽车挑战的一种手段，采用 SiC 功率半导体的趋势正在加速，用 SiC（碳化硅）取代传统的 Si 基板材料。

SiC击穿电场强度^*10比Si高一个数量级。因此，如果要制作具有相同击穿电压的元件，器件的厚度可以减少到约1/10。如果它变得更薄，电流流经的路径可以缩短，并且产生作为电流流动介质的载流子的杂质浓度可以增加十倍。综合这些效果，理论上可以将器件开启时电流流经的路径的电阻值降低1/1000。换句话说，功率损耗可以减少相应的量。

更少的损失意味着更少的热量产生。更重要的是，SiC即使在高温下也能稳定工作，这是Si所无法做到的。因此，也能够简化冷却机构。此外，由于可以使用比IGBT更快操作的MOSFET，因此还可以提高PWM控制的开关频率。这会产生平滑的驱动波形，实现更高效、更平滑的电机旋转。此外，随着开关频率的提高，外围电子元件也变得更小。总体而言，逆变器的尺寸和重量将大幅减小，从而使设备和车辆变得更小、更轻。它只是充满了好东西。

通过使用 SiC 器件，可以以更高的效率转换更高电压的电力。着眼于这一点，并且考虑到SiC器件的引入，有一种趋势是将驱动电压从传统的400V提高到800V，以尽量减少电源电缆的损耗。这也将降低系统成本。

汽车行业企业纷纷开发SiC逆变器

自然，汽车制造商和电气设备制造商正在重点开发使用 SiC 功率半导体的逆变器。

例如，丰田汽车公司生产了使用SiC功率半导体的原型动力装置，将其安装在混合动力汽车中，并在公共道路上进行了实验。 DENSO还原型制作了采用SiC功率半导体的功率模块，该模块体积小，仅5L，但输出功率高达200kW。销售 SiC 功率半导体的 ROHM 正在为电动方程式赛车提供 SiC 逆变器，并正在完善其电动汽车技术（图 6）。在第 2 季中，该公司提供了使用硅基 IGBT 的逆变器，在第 3 季中推出了用于续流二极管的 SiC 二极管，在第 4 季中推出了全 SiC 模块。在第2季中，它的重量为15公斤和200千瓦，但在第4季中，它的重量减少到9公斤和220千瓦，使其更轻、更小、输出更高。

[图 6] 分阶段将逆变器组件从 Si 基改为 SiC 基，以减小尺寸和重量
来源：ROHM 新闻稿

由德国公司和研究机构组织的研究项目“MotorBrain”创建了一个原型电源系统，该系统集成了逆变器、电机和齿轮驱动器，并具有彻底重新设计的架构（图 7）。该项目的目标是“提高电动汽车系统的效率”和“使电机磁铁不含稀土”。^*11''提高安全性。虽然没有使用SiC功率半导体，但该公司成功地将逆变器的重量减轻了50%，成本降低了30%，并将整个电力系统的重量减轻了约15%。

[图7]MotorBrain开发的9相交流电机驱动
来源：MotorBrain 新闻稿

MotorBrain开发的电机具有由九相交流电源驱动的结构。这进一步提高了效率和安全性，即使某些阶段出现故障，车辆也能毫无问题地运行。多相电机还具有更容易的功能集成、更低的电流和更小的模块、对周围设备的电磁干扰更少、更快的开关频率以及更高的效率、可扩展性和适应性等优点。结果，可以获得降低成本和改进功能的好处。然而，控制这一点需要高性能微控制器来产生复杂的控制信号，并且构成逆变器的晶体管数量增加，使得电路更加复杂。

电动汽车开发是进入21世纪以来突然获得动力的技术发展领域。逆变器等组件往往是基于为机床等其他领域开发的技术制造的。今后，基于创新理念的突破将会陆续出现。在本系列的第三部分中，我们将解释电池系统，这个领域在过去不会是汽车制造商的开发主题，但现在它是一个关系到公司命运的技术开发领域。

作家

伊藤元明（伊藤元明）

光线有限公司代表

在富士通担任 3 年半导体开发工程师，在 Nikkei Micro Devices、Nikkei Electronics、Nikkei BP Semiconductor Research 等公司担任记者/台/主编 12 年新闻工作，在 Techno Associates（Nikkei BP 和三菱商事的合资智囊团）担任顾问 6 年为制造商业务提供支持，以及在日本担任广告制作人 4 年营销支持Nikkei BP 技术信息组的广告部门。

2014年，他独立成立了光线有限公司。该公司提供专门从事技术营销的支持服务，公司考虑并付诸实践如何向目标受众（主要是科技公司）准确传达技术的价值。

网址：http://wwwenlight-inccojp/