一文了解新能源汽车功率变换器DC/DC & DC/AC & AC/DC的区分及联系

新能源汽车电驱动系统(Electric Drive System)是新能源汽车(如电动汽车、插电式混合动力汽车等)的核心动力系统，负责将电能转换为机械能，驱动车辆行驶。该系统主要包括电池管理系统（BMS）、整车控制器（VCU）及电机控制器（MCU）等关键组件。

新能源汽车三电系统

1、新能源汽车电力驱动系统概述

传统汽车驱动车辆是依靠内燃机做功，通过变速器改变输出动力的传动比旋转方向，再通过传动轴和车轮实现车辆驱动。而纯电动汽车的电力驱动系统替代了传统汽车的内燃机和变速器，依靠动力电池、逆变器和电机变速单元实现车辆的驱动。

电驱动系统是新能源汽车核心系统之一，其性能决定了爬坡能力、加速能力以及最高车速等汽车行驶的主要性能指标。无论是BEV（纯电动汽车）、HEV/PHEV（串并联结构）和燃料电池汽车均需要电驱动系统驱动车辆。

新能源汽车电力驱动系统

新能源汽车的电力驱动系统其主要由发电机／电动机、逆变器、升压型DC/DC、动力电源、辅助电源、动力电源ECU和HV ECU等构成。各个元件作用不同，所需功率等级、电压高低、电流大小、安全可靠性、电磁兼容性的指标不同，并且对电源的种类直流/交流有要求。电动汽车电子设备的这些要求主要通过功率变换器﹣﹣直流变换器DC/DC、交直流变换器AC/DC、直流交流变换器（逆变器）DC/AC等完成。

PRIUS 混合动力汽车的电力驱动系统

以丰田公司PRIUS混合动力汽车的电力驱动系统为例，该混合动力汽车采用两种直流电源：高压动力200V直流电源：用于储存发电机电能，为车辆电驱动装置提供能量；低压电源：主要为随车负载提供电能。

功率变换器在汽车上的应用

2、直流变换器DC/DC

直流/直流变换器（DC/DC）是一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置。

在电动汽车的电子系统或设备中，系统中的直流总线不可能满足性能各异、种类繁多的元器件对直流电源的电压等级、稳定性的高要求，因而必须采用各种DC/DC变换器将宽范围变化的直流电压变换为稳定性能良好的直流电，来满足电子系统的各种要求。

DC/DC变换器在新能源汽车上的的应用

电动汽车的DC/DC变换器的主要功能是给车灯、ECU、小型电器等汽车附属设备提供电力和向辅助电源充电，其作用与传统汽车交流发电机相似。

DC/DC变换器有升压变换器与降压变换器之分，根据电压调制方式又有脉宽调制和频率调制的区别。

DC/DC变换器电路原理图

（1）脉冲宽度调制PWM和脉冲频率调制PFM

DC/DC变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压的平均值。

DC/DC变换器原理图

脉宽调制（PWM）：保持周期T不变，改变开关管导通时间即可改变U0；

脉冲频率调制（PFM）：保持开关管导通时间t0不变，改变开关周期T，同样可以改变U0。

PWM和PFM方法是DC/DC最常用的两种方法。

（2）降压型转换器（DC/DC）

降压型转换器（DC/DC）是利用MOSFET开关闭合时在电感器中储能，并产生电流。当开关断开时，贮存的电感器能量通过二极管输出给负载。输出电压值与占空比（开关开启时间与整个开关周期之间的比）有关。

降压型DC/DC工作原理

（3）升压型转换器（DC/DC）

升压型转换器与降压型转换器所使用的组件类型相同，升压型DC/DC输出电压的高低与开关K的工作周期大小，以及每个周期中开关导通时间ton和断开时间toff的长短有关。

升压型DC/DC工作原理

（4）升降压型双向DC/DC变换器

升降压双向DC/DC变换器主要组成为用于降压的开关型IGBT1，用于升压的开关型IGBT2，续流二极管VD1和VD2、感性滤波元件和容性滤波元件。该变换器也被称为两象限双向断路器，两端分别与动力电池和其他设备连接。升降压型双向DC/DC变换器的原理是通过控制周期性地流过感应器电流的时间，来实现想要得到的输出和输入电流之间的关系。

升降压双向DC/DC工作原理

3、直流交流变换器DC/AC

DC/AC功率变换器又被称为逆变器，是一种将直流电转变为交流电的电力电子元件（Power Inverter或Inverter)，主要由由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。电动汽车上使用的DC/AC变换器的主要作用是将HV的直流电转变为电动机／发电机用交流电。

逆变器在汽车上的应用

近年来出现的车载AC电源也是一种逆变器，其特点是能够将直流电（12V或24V)转换为交流电（220V）供一般电器使用，是一种方便的电源转换器。

电动车的DC/AC功用是将蓄电池的直流电变换为交流电，提供给驱动电动机和单相交流用电器使用。DC/AC变换器主要分为半桥逆变器、全桥逆变器和三相电压型逆变器3类。

三相逆变器原理图

4、交流直流变换器AC/DC

AC/DC功率变换器又称为整流器，其功用是将交流电转换为直流电，电动汽车中AC/DC的功用主要是将交流发电机的交流电转换为直流电，供给用电器或电能储能设备储存。

（1）AC/DC功率变换器分类

按照变流器件开关频率的高低：所有半导体变流电路可分为低频和高频两大类。

按照组成的部件：可分为不可控、半控和全控3种AC/DC变换器。

按照控制方式：有相控式和斩控式整流电路之分。

（2）AC/DC功率变换器电路构成

AC/DC功率变换模块电路的一般原理如下图所示，图中Uf为参考电压，U0为AC/DC的输出电压，PWM为脉冲宽度调制式开关变换器。AC/DC功率变换模块由输入滤波电路、全波整流和滤波电路组成。

AC/DC功率变换器电路原理

整流电路的作用是将交流电压变为直流脉动电压，输入滤波电路的作用是使整流后的电压更加平滑，并将电网中的杂波滤除以免对模块产生干扰，同时输入滤波器也可以阻止模块自身产生的干扰影响。DC/DC变化电路和控制电路实现直流电压的转换和稳压，为了得到稳定的输出电压U0。

新能源汽车一般都具有电力驱动系统，并且在该系统上有不少电力电子器件，汽车功率变换器是其重要组成部分。因此，了解汽车功率变换器基本知识与原理，对掌握新能源汽车驱动系统的驱动和控制原理、使用性能和维护保养技术是不可或缺的。