​什么是电动汽车上的逆变器？～能够以高效率向行车用马达供电的DC/AC转换设备～

文章来源：松下电器机电

什么是电动车上的逆变器？

能够以高效率向行车用马达供电的DC/AC转换设备

背景

逆变器是将电池供给的直流电（DC）转换为交流电（AC）的装置。电动汽车的马达通过该交流电来驱动车轮。为了提高整辆电动汽车的能源效率，必须将逆变器的能量损耗降到最低。我们将在本文中就逆变器的功能和系统构成进行解说，同时对构成逆变器的电子零部件进行介绍。

PART 01

什么是逆变器？

逆变器的概要01

电动汽车上的逆变器是将电池提供的直流电（DC）转换为交流电（AC）的装置。这是因为安装在电动汽车上的牵引马达大多是通过交流电来驱动之故。根据马达的输出功率（30kW～400kW等）来设定逆变器的输出功率。

通常，安装在汽车上的逆变器数量为1～2个左右。但是，在轮毂电机式（每个轮胎都由一个马达来驱动的方式）的情况下，每个马达都需要一个逆变器。

关于马达的种类02

马达主要分为两种，即刷盘马达和无刷马达。刷盘马达面向小型设备，由于是用直流电压来驱动，所以控制起来比较简单。无刷马达重视能源效率，适合于需要细微的转速（速度）调整的情形，在面向行车用的牵引马达等上使用，由于它们用交流电驱动，所以将直流电转换为交流电的逆变器是必不可少的。

表1 刷盘马达和无刷马达的特点

PART 02

关于市场和设备的趋势　　

随着电动汽车车辆数量的增加，安装的逆变器也会随之增加。此外，随着行车性能提高的趋势，马达在不断向高输出化发展，因此逆变器也需要高输出化（高功率）。作为构成逆变器的电子零部件今后要求其具备的功能/性能，可以列举“高功率化”、“高耐热化”、“小型化/轻量化”。各自的要件如下所示：

▪ 高功率化

为了支持马达的高输出化，逆变器也需要高输出化（高功率）。高功率化意味着高电压化（从现在的400V到今后的800V等）和大电流化，因而要求构成逆变器的半导体等也支持高功率化。

▪ 高耐热化随着电子零部件小型化的日益进展，单位面积所受的热也在增加。通过使之具有对热的耐受性，可以防止因零部件本身发出的热和从周围零部件接受的热而导致的老化。

▪ 小型化/轻量化

高功率化等因素导致设备变得更大和更重，将会影响续航距离，因此必须在支持高功率化的同时，进行小型化/轻量化。

PART 03

关于逆变器的电路构成

逆变器由下述电路构成

噪声滤波器：抑制来自外部或者来自该电路的噪声。

电压测量：为控制转换电路而进行电压测量。

电压转换电路：通过藉由FET等的开关操作来转换电压。电流测量：为控制转换电路而进行电流测量。

控制电路：控制转换电路等。

DC/DC转换器：向控制电路供给电源。

通信IF：与外部的通信电路。

图１ 逆变器的总体构成

PART 05

个别电路及构成零件    

　　1 噪声滤波器

在噪声滤波器电路中，抑制来自外部或来自该电路的噪声，并防止电路误工作。

滤波器通常组合使用大型电感器和薄膜电容器。

 噪声去除

汽车用/工业基础设施用薄膜电容器

❶ 高可靠性 : 实现高耐湿性和高耐热冲击性，符合AEC-Q200

❷ 高安全性 : 通过安全机构（保险丝）来确保更高的安全性（故障模式为开路）

2 电压测量

• 在电压测量的电路中，为了进行电压转换电路的控制而测量输入的电压。

• 测量时通常将多个电阻器连接起来以测量电阻器两端的电压。

贴片电阻器

(高精度芯片电阻器)

❶ 藉由薄膜结构的电阻值公差、低TCR性能，为电路输出特性的高精度控制化做出贡献。

3 电压转换电路

在电压转换电路中，通过多个开关元件来进行电压的转换。

由于开关时的输入电压变动会导致噪声，所以使用大型的薄膜电容器来进行噪声抑制和平滑化。此外，在车辆停止后，如果不释放储存在大型薄膜电容器中的电能，则可能会导致误工作，因此通常会连接电阻器来进行放电。

通过令开关元件On/Off来执行转换操作，但由于元件On/Off时会产生噪声，因此在元件栅极端子上使用电阻器来抑制驱动噪声。

此外，开关元件等会因在高功率下工作下而成为高温状态，为了防止产生规定以上热量时造成的故障，通常会使用NTC热敏电阻器来进行温度测量。

　　噪声抑制、电压平滑化

　　汽车用/工业基础设施用薄膜电容器

❶ 高安全性 : 通过安全机构（保险丝）来确保更高的安全性（故障模式为开路）。

❷ 小型化 : 通过采用高耐压PP薄膜来使薄膜更加薄化，追求小型化。

❸ 高输出化 : 通过独特的蒸镀应用技术来减少自发热（低ESR化），支持逆变器的高输出化。

开关元件栅极驱动噪声抑制

薄膜电容器的放电

贴片电阻器

　　（小型高功率贴片电阻器）

❶ 藉由独特的电阻器图案、电极结构等实现小型高功率化，为电路的小型化做出贡献。

开关元件等的温度测量

NTC热敏电阻器（片式）

❶ 藉由小型、高耐热且独特的外电形成技术实现的高可靠性，为电路温度补偿的高精度化做出贡献。

4 DC/DC转换器

在DC/DC转换器电路中，为了去除输入部的噪声和使得输出部平滑，通常使用导电性聚合物混合铝电解电容器，为了进行电压转换，通常使用车载用功率电感器。

　　噪声去除、开关和平滑

导电性聚合物混合铝电解电容器

❶ 藉由大电容、低ESR和高纹波性能，为电路的小型化和高功率化（低电压和大电流）做出贡献。❷ 支持高频电容特性，为宽带和高频去除电路的高频开关化中产生的噪声做出贡献。

电压转换

车载用功率电感器

❶ 藉由金属磁性材料的低损耗和大电流性能，为电路的小型化和大功率化（低电压和大电流）做出贡献。

❷ 藉由损耗特性的高频化（低ACR），为在电路的高频开关化中抑制损耗做出贡献。

5 通信I/F

在通信I/F（通信）电路中，使用两根线与外部设备（CAN、Ethernet等）进行通信。此时，如果噪声或静电从通信线混入，则可能会导致收发器IC故障。

因此，收发器电路中作为静电预防措施通常由片式压敏电阻器构成。

ESD噪声去除

片式压敏电阻器

❶ 藉由具有广泛容量特性的产品阵容，在保持电路通信品质的同时，为抑制静电（ESD）噪声做出贡献。

❷ 片式压敏电阻器藉由其8~250pF的容量特性，支持从低速到高速的通信速度。

小结

逆变器的作用是将电池供给的直流电转换为交流电。今后，随着电动汽车生产数量的增加，预计逆变器的安装数量也会增加。人们对逆变器提出了高输出化的要求，此外还必须追求小型化。构成逆变器的电子零部件也必须支持“高功率化”、“高耐热化”、“小型化／轻量化”。松下机电株式会社备有面向逆变器的广泛的产品阵容（表2）。