HEV系統的主要部件：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所在。

　　元件的小型化需要降低元件產生的損耗。如圖6所示，對于理想開關，無論有多少電流經過也不會產生損耗，而半導體開關一旦通入電流便會在通態電壓的作用下產生通態損耗。

圖6：理想開關與半導體開關
半導體開關一旦通入電流即產生損耗。

　　而且，在開/關時不會瞬間完成切換，其產生的一段時間（開關時間）的延遲還會造成開關損耗。由圖6可知，降低損耗有三個手段：①縮小電流；②降低通態電壓；③縮短開關時間。下面來分別進行說明。

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）。由于馬達的電流與電壓成反比，因此，流經功率元件的電流也能夠縮小。繼續提高電壓雖然能進一步縮小電流，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：升壓電路的結構
以“普銳斯”為例。

　　這種方式的優點在于增加升壓電路的成本遠遠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，關閉IGBT后，電壓上升。使其經上方的二極管儲存于電容后，升壓完成。再生時，驅動上方的IGBT與下方的二極管，向主電池通入電流。

②降低通態電壓

　　通態電壓由開關元件的特性決定，因此需要選擇最佳元件。如圖8所示，當要求耐壓為200V以下時，功率MOSFET（金屬氧化膜半導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，通態電壓也會增高，因此需要盡量選擇低耐壓元件。

③縮短開關時間

　　降低開關損耗只需縮短開關時間即可。這可以借助柵電阻完成，電阻越小，時間越短。

　　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損耗，通態損耗又會增加。

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產生，因此，怎樣縮小電感是設計的重點。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。因為互感效應能夠降低L，所以要采用使＋－布線（實際為母線）盡可能接近等方法。

圖9：浪涌電壓的發生原理
浪涌電壓由布線電感產生。