6.1 电力电子技术概述

一般认为，电子技术的应用可分为信息处理与能量转换两大方面。人们熟知的“IT”（Information Technology）就是利用电子技术进行信息处理。因为其功率等级比较低，所以这种应用也被称为“弱电”应用。若将电子技术应用于能量转换，则相关的理论与应用就是本章所讨论的电力电子技术。电力电子技术在日常生产生活中的应用也非常普遍，例如工业生产及汽车中用到的变频器、日常生活中的充电器、计算机电源等，这些技术的基础都是对“强电”功率流动的精确高效控制。随着近年来节能环保等问题受到社会的普遍关注，精确高性能的电功率控制问题日益突出，电力电子技术得到了长足的发展。电力电子技术是研究利用电力电子器件控制电能转换的一门学科。如图6-1所示，电能变换的控制是通过电力电子变换器实现的，它一般由开关器件（电力电子器件）组成，可以实现“弱电”信号对“强电”功率流动的控制。在图6-1中表示为，流经电力电子变换器的功率由“控制输入”上的信号决定。因为“控制输入”上的信号可以由单片机/DSP等微控制器给出，所以电力电子技术真正意义上实现了电功率的数字控制，从而使电机控制乃至电能控制的观念和方法进入了一个新的时代。

这里以第5章所提到的降压电路为例讨论电力电子技术的基本特点。若需要设计一个车载降压电路，要求输入电压为12V，输出电压为5V，这一设计需求可以用图6-2表示。

为了便于分析，假设输出端连接5Ω纯阻性负载。如何实现图6-2中的“功率变换电路”呢？这一设计需求最简单的实现方法就是在电路中串联电阻进行分压。因为分压电路需要分担7V的电压，所以在5Ω负载的情况下应选择7Ω电阻进行分压，如图6-3a所示。另一方面，根据第5章的介绍，可以利用Buck电路进行降压，如图6-3b所示。下面对两种降压方式进行对比。

在图6-3a所示的电路中，虽然通过电阻 R _s 的分压可以实现降压的作用，但是该功率转换过程的效率是非常低的。若忽略电源内阻，可以直接计算得到电路工作时的能量转换效率为41.67%。再考察图6-3b中的电路，若认为电感、电容元件为理想元件，不产生损耗，则除负载电阻外，唯一有可能产生损耗的就是单极双掷开关S。假设单极双掷开关S为理想开关，即其导通电压降为0，且可以在无穷小的时间内完成导通和关断过程。分析单极双掷开关S在分别连接到位置①、②时的损耗。若开关接通位置①，①与 导通，虽然两点间流经电流，但电压降为0，即功率损耗为0；同时②与 断路，虽然两点间存在电压，但电流为0，即损耗为0。所以当S接通位置①时，不产生损耗。同理分析当S接通位置②时的损耗情况，同样可以得到损耗为0。所以在理想情况下可以得到该电路的能量转换效率为100%。对比两套电路的工作原理可以清楚地看到，相比传统的分压方式，电力电子技术通过开关的通断，可以极大地降低电压变换过程中的损耗。所以电力电子电路的效率普遍非常高，电动汽车驱动电机的电力电子变换器效率可达98%左右。

近年来，电力电子技术被广泛应用于汽车电气系统，对改进汽车动力性、燃油经济性、排放及安全性、舒适性起着越来越重要的作用。除了用于各类电机的驱动（电力类型从直流电机到交流电机，输出功率从几瓦到上百千瓦级别），电力电子技术还被用于电磁阀、点火线圈、喷油器、继电器、加热器及其他汽车负载的驱动。据统计，在2000年，一辆中档乘用车所需的功率半导体器件成本为100～200美元，而在电动汽车或混合动力汽车中，功率半导体的成本要增加3～5倍。

电力电子技术的应用可按其输入输出电压的特性分为DC-DC、DC-AC、AC-DC和AC-AC，其中DC-DC为直流电压之间的相互转换，如前述的Buck、Boost电路等；DC-AC是将直流电压转换为交流电压，常见于交流电机的驱动，也称为逆变器；AC-DC是将交流电压转换为直流电压，常见于充电设备，也称为整流器；AC-AC为交流电压之间的转换，在小功率电力电子技术场合中应用较少，本书中不做详细介绍。

图6-4所示为典型的插电式串联混合动力汽车的电力系统结构。根据插电式串联混合动力汽车的工作原理，发动机与交流发电机相连，将燃料中的化学能转换为机械能再转换为电能储存在动力电池中。因为交流发电机输出为三相交流电，所以发电机控制器会将三相交流电转换为直流电，即该控制器为整流电路。为了驱动汽车自身，插电式串联混合动力汽车还需要利用交流电机将动力电池中的电能转换为机械能输出，则交流电机控制器将动力电池的直流电转换为三相交流电，为逆变电路。插电式串联混合动力汽车可以实现由外部对动力电池的充电，如外部为380V或220V的交流电压，则其充电器也为整流电路。目前的混合动力汽车一般仍配备传统汽车的12V或24V蓄电池为电子控制器（ECU）及功率变换器的控制电路供电，所以需要动力电池电压（如300V）转12V（或24V）电压的DC-DC电路。此外，ECU中还需要5V、3.3V等较低的直流电压对微控制器供电。不同的电路芯片、执行器、传感器所需的供电电压也有所不同，所以ECU中会有多路DC-DC变换电路。