汽车基础技术 3

电动汽车技术第4章电力电子技术

电力电子学是电力学、电子学和控制理论的交叉融合（图4-1），电力电子技术是电力电子学在电力变换与控制领域的具体应用。图4-1

电力电子学是电力学、电子学和控制理论的交叉融合

根据电气与电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）的定义，电力电子技术是“有效使用电力电子器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现多种类型电能的高效变换与控制的一门技术，包括电压、电流、频率和波形等方面的变换”。

电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，其中电力电子器件是基础，变流技术是电力电子技术的核心。

简而言之，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力变换（变流）领域的电子技术。目前，电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。相应地，电力电子技术亦称半导体变流技术。

电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W，甚至mW级。

电力变换器（PowerConvertor），亦称电力变流器、功率变换器或功率转换器，是一种可以将某种类型的电流转换为其他类型电流的电子设备。电动汽车中进行电力变换的整流器、逆变器以及直流-直流电压变换器（DC-DC变换器）均属于电力变换器。4.1电力电子器件及其应用4.1.1电力电子器件

电力电子器件（PowerElectronicDevice）亦称功率器件，是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。1.电力电子器件的特征

电力电子器件所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其重要参数，一般都远大于处理信息的电子器件。

为了减小本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态，即作为电路的电子开关使用。在工作过程中，电力电子器件的导通和关断（即导通和关断状态）需由信息电子电路控制，而且需要设置驱动电路。

电力电子器件自身的功率损耗通常远大于信息电子器件，发热量较大。因此，在其工作时一般都需要安装散热器。

电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统（图4-2）。图4-2电力电子器件在实际应用中的系统组成2.电力电子器件的分类（1）按照受控特性分类

不能用控制信号来控制其通断的器件，称为不可控器件，如电力二极管就是如此。

半控型器件的导通可由控制信号控制，但其关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。晶闸管及其大部分派生器件均属于半控型器件。

通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的器件，称为全控型器件。目前，最常用的是绝缘栅双极型晶体管和电力场效应晶体管。（2）按照驱动信号性质分类

按照驱动信号的性质不同，可将电力电子器件分为电流驱动型、电压驱动型两类。（3）按照驱动信号波形分类

按照驱动信号的波形（电力二极管除外）不同，可将电力电子器件分为脉冲触发型和电平控制型两类。（4）按照载流子参与导电的情况分类按照载流子参与导电的情况不同，可将电力电子器件分为单极型、双极型和混合型三类。4.1.2不可控器件——电力二极管

电力二极管（PowerDiode。图4-3）自20世纪50年代初期就获得应用，因其结构简单、工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。

a）螺栓型b）平板型c）电气图形符号图4-3电力二极管1.二极管的基本原理——PN结的单向导电性

如图4-4所示，半导体是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，按照载流子的不同可分为P型半导体和N型半导体，半导体的导电性能与载流子的密度有很大关系。图4-4PN结的形成2.电力二极管的分类

③肖特基势垒二极管。肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode，SBD）的反向恢复时间很短（10~40ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管要小，工作效率高。

肖特基势垒二极管多用于200V以下的低压场合。因其反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。4.1.3半控型器件——晶闸管1.晶闸管的封装结构

晶闸管（Thyristor。图4-5）是晶体闸流管的简称。1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，由此直接导致了可控硅整流器（SiliconControlledRectifier，SCR）的出现，极大地改善了整流器的性能，因此电气工程师中亦习惯称其为可控硅（SCR）。a）螺栓形b）平板形c）电气图形符号图4-5晶闸管2.晶闸管的工作特性

晶闸管内部为PNPN四层半导体结构。当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否持续存在，晶闸管都保持导通。晶闸管的电气图形符号

若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

由于晶闸管能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有相当重要的地位。4.1.4全控型器件

典型的全控型器件有门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管等。1.门极可关断晶闸管

门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor，GTO。图4-6）是晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。GTO和普通晶闸管一样，也是PNPN四层半导体结构，外部也是引出阳极A、阴极K和门极G。但和普通晶闸管不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件。虽然外部同样引出三个极，但内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些GTO单元的阴极和门极在器件内部并联，这是为了实现门极控制关断而设计的。

a）平板形GTO实物b）电气图形符号图4-6门极可关断晶闸管（GTO）2.电力晶体管

电力晶体管（GiantTransistor，GTR。图4-7）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor，BJT），英文也称为PowerBJT。在电力电子技术领域，GTR与BJT这两个名称等效。

由于GTR能够耐受高电压、大电流，在电力电子变流领域得到了广泛的应用，故业内习惯称其为电力晶体管，而不采用巨型晶体管这一称谓。GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成的，多采用NPN结构。GTR与普通的双极型晶体管基本原理是一样的，也是承受正向偏置电压时导通，承受反向偏置电压时截止。GTR最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好，但驱动电路复杂。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。a）平板形GTR实物b）电气图形符号

图4-7电力晶体管（GTR）3.电力场效应晶体管（1）场效应晶体管的分类

场效应晶体管（FieldEffectTransistor，FET）简称场效应管，主要有两种类型，即结型场效应管（JunctionFET，JFET)和金属-氧化物半导体场效应管（Metal-OxideSemi-conductorFET，简称MOS-FET）。场效应晶体管属于电压控制型半导体器件。

电力场效应晶体管通常主要是指绝缘栅型中的MOS型场效应晶体管（MetalOxideSemi-conductorFET）,简称电力MOSFET（PowerMOSFET）或P-MOS管，或MOS管。

电力MOSFET按导电沟道不同可分为P沟道和N沟道两种类型。

当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。

在电力MOSFET（图4-8）中，主要应用的是N沟道增强型。a）平板型电力MOSFET实物b）电气图形符号图4-8电力MOSFET（2）电力MOSFET的工作特性

当漏极D（Drain，电流输出端）与源极S（Source，电流输入端）之间接正电压，而栅极G（Gate，控制极）和源极S之间的电压为零时，漏极D与源极S之间无电流流过，电力MOSFET处于关断状态（断态），亦称截止状态。

电力MOSFET的关断过程非常迅速，其导通、截止时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中工作频率最高的。

电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的。因此，其驱动电路简单，需要的驱动功率小；开关速度快，工作频率高；热稳定性优于GTR。但电力MOSFET的电流容量小，耐压能力较差，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。4.绝缘栅双极晶体管（1）IGBT的结构

前述的GTR和GTO是双极型电流驱动器件，通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。

绝缘栅双极型晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor，IGBT）综合了GTR和电力MOSFET的优点，因而具有良好的工作特性。

如图4-9所示，IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C（Collector）和发射极E（Emitter）三个端子。IGBT相当于一个由电力MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管，具有很强的通流能力。a）实物图b）电气图形符号

图4-9绝缘栅双极型晶体管IGBT（2）IGBT的工作原理

当在栅极G与发射极E之间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，进而使IGBT关断。a）实物图b）电气图形符号

图4-9绝缘栅双极型晶体管IGBT（3）IGBT的工作特点①开关速度快，开关损耗小。②在相同电压和电流情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

③通态压降小，特别是在电流较大的区域。④输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。⑤与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。

基于以上特点，使得IGBT在电动汽车、高速铁路机车、动车组机车、地铁机车等大功率半导体变流领域得到了广泛的应用。

需要指出的是，前述的各种电力电子器件（电力二极管、晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等），无论其工作原理如何、工作能力怎样，在半导体变流技术中，电力电子器件都是作为电路的电子开关使用的。从这个意义上说，业内也习惯将电力电子器件统称为开关管。

当器件处于导通状态时，称器件处于通态；当器件处于截止（关断）状态时，称器件处于断态。器件在导通和截止两种工作状态之间的转换，称为器件的翻转（或转换）。4.1.5电力电子器件的发展趋势1.应用现状

自20世纪90年代中期以来，逐渐形成了小功率（10kW以下）场合以电力MOSFET（可简称为P-MOS管或P-MOS）为主，中、大功率场合以IGBT为主的压倒性局面。而在10MVA以上或者数千伏以上的应用场合，如果不需要自关断能力，晶闸管仍然是首选器件。

在比亚迪e5电动汽车中，负责将动力电池的高压直流电变换成车身电器所需低压直流电的DC-DC变换器即采用P-MOS作为电力电子器件。

P-MOS和IGBT中的技术创新仍然在继续，IGBT还在不断抢占传统上属于晶闸管的应用领域。2.基于宽禁带半导体材料的电力电子器件（1）禁带宽度

禁带宽度（Bandgap）是指一个带隙宽度，其单位为电子伏特（eV）。固体中电子的能量是不能连续取值的，而是以一些不连续的能带存在。

固体要导电就要有自由电子或者空穴存在，自由电子存在的能带称为导带（导带能导电），自由空穴存在的能带称为价带（价带也能导电）。处于被束缚状态的电子要成为自由电子或者空穴，就必须获得足够的能量，使自身从价带跃变到导带。

能够使受缚电子从价带跃变到导带的能量最低值，称为禁带宽度。换言之，禁带宽度是指导带的最低能级和价带的最高能级之间的能值。

不同材料，其禁带宽度不同，导电性能也就不同。禁带宽度为零的是导电金属；禁带宽度很大（一般大于4.5eV）的是绝缘体；禁带宽度居中的是半导体。

半导体的反向耐压、正向压降都与禁带宽度密切相关。（2）宽禁带半导体材料

在室温（300K）下，锗（Ge）的禁带宽度约为0.66eV，硅（Si）的禁带宽度约为1.12eV。宽禁带半导体材料是指禁带宽度在3.0eV及以上的半导体材料，典型的宽禁带半导体材料有碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等材料。

目前在半导体变流技术中广泛应用的电力电子器件，都是基于硅基材料（属于窄禁带宽度材料）制造的，其性能已经达到极限，提升空间极为有限。

基于宽禁带半导体材料（如碳化硅、氮化镓）的电力电子器件具有比硅基器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多性能指标都是成数量级的提高。

因此，宽禁带半导体器件是极具应用前景的电力半导体器件。（3）宽禁带电力电子器件的应用

基于宽禁带半导体材料制造的电力电子器件，在高电压、大电流应用场合，优势极为明显，特别适合高速铁路机车、动车组机车、地铁机车以及电动汽车的需要。

如图4-10所示的能够耐受1200V高电压的碳化硅（SiC）基P-MOS，适用于电动汽车车载充电器、升压DC-DC变换器及辅助DC-DC变换器等。

特斯拉Model3的主逆变器（图4-11），就是采用了24个碳化硅（SiC）基P-MOS制造的。图4-10碳化硅（SiC）基P-MOS图4-11特斯拉Model3的主逆变器

特别是今后电动汽车将母线电压提升至800V甚至1000V时，以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带电力电子器件必将大显手身。3.模块化与智能化

从20世纪80年代中后期开始，电力电子器件开始出现模块化的趋势，即器件厂商按照客户的实际需求，在生产器件时，直接将多个器件封装在一个模块中，称为电力模块或功率模块。

如在生产电动汽车三相桥式逆变器器件时，器件厂商直接将IGBT与续流二极管集成在一起，然后，再将两个“IBGT+续流二极管”集成在一起，构成逆变器的一个桥臂，称之为IGBT模块（图4-12）。a）实物图b）“IBGT+续流二极管”的电气图形符号图4-12IGBT模块

还可以将逆变器的三相全桥主电路做成一个模块，进一步提升器件的集成度。2020年比亚迪半导体公司推出的1200V840A/700A三相全桥SiC功率模块（图4-13），2022年推出的1200V1040ASiC功率模块，均已实现在电动汽车高端车型电机驱动控制器中的规模化应用。图4-13比亚迪半导体公司推出的三相全桥SiC功率模块

模块化生产可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。同时，对工作频率较高的电路，还可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。

甚至可将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一模块上，形成电力集成电路（PowerIntegratedCircuit，PIC），进一步简化了电路结构，提高了可靠性。

在有效解决电磁干扰问题之后，还可以将IGBT及其辅助器件、保护和驱动电路进行单片集成，形成智能功率模块（IntelligentPowerModule，IPM），亦称智能IGBT（IntelligentIGBT）模块（图4-14）。

电力电子器件模块化与智能化的发展趋势日趋明显，也代表着未来的发展方向。图4-14安森美（ONSEMI）智能IGBT模块（600V/50A）4.2整流电路

整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，其作用是将交流电能变为直流电能，供给直流用电设备使用。

可以从不同角度对整流电路进行分类。按组成的器件不同，可将整流电路分为不可控、半控、全控三种；4.2.1单相半波可控整流电路1.驱动电阻负载的工作情况

按电路结构不同，可将整流电路可分为桥式电路和零式电路两种；按交流输入的相数不同，可将整流电路可分为单相电路和多相电路；

按变压器二次侧的电流方向不同，可将整流电路可分为单拍电路和双拍电路两种。图4-15单相半波可控整流电路及波形

电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形相同。

图4-15单相半波可控整流电路及波形

2.驱动阻感负载的工作情况

图4-16驱动阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形

图4-16驱动阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形

由以上分析，可以总结出电力电子电路的一个基本特点，进而引出分析电力电子电路的基本思路。

电力电子电路中存在非线性的电力电子器件，决定了电力电子电路属于非线性电路。如果忽略开关器件的导通过程和关断过程，则开关器件就只工作于两种状态——通态或断态，亦即开关器件非通即断。

若将开关器件理想化，看成是理想开关，即开关器件处于通态时，认为开关闭合，其阻抗为零；开关器件处于断态时，认为开关断开，其阻抗为无穷大，则可将电力电子电路简化为分段线性电路。

在开关器件通断状态的每一种组合情况下，电路均为由电阻（R）、电感（L）、电容（C）以及电压源（E）组成的线性RLCE电路，即开关器件的每种状态组合对应一种线性电路拓扑，开关器件通断状态变化时，电路的拓扑结构也会发生改变。这是电力电子电路的一个基本特点。

这样一来，在分析电力电子电路时，可通过将开关器件理想化，将电路简化为分段线性电路，对其进行分段分析和计算。

这两种情况的等效电路如图4-17所示。当VT处于通态时，如下方程式成立：

图4-18单相半波驱动阻感负载且有续流二极管的电路及波形

图4-18单相半波驱动阻感负载且有续流二极管的电路及波形

图4-18单相半波驱动阻感负载且有续流二极管的电路及波形

图4-18单相半波驱动阻感负载且有续流二极管的电路及波形

单相半波可控整流电路的特点是结构简单，但其输出脉动大，变压器二次侧电流中含有直流分量，会造成变压器铁心发生直流磁化。

为使变压器铁心不至于饱和，需要刻意增大铁心的截面积，这样就不可避免地增大了设备的体积。因此，在实际的工业生产中很少直接使用这样的整流电路。

本节之所以介绍该电路，主要目的在于利用其简单易学的特点，使初学者先建立起关于整流电路的基本概念，以利对后面介绍的实用电路的理解和分析。4.2.2单相桥式全控整流电路

在单相整流电路中，最具实用价值的是单相桥式全控整流电路，其驱动的负载有电阻负载、阻感负载和具有反电动势负载等不同情况。1.驱动电阻负载的工作情况

驱动电阻负载的单相桥式全控整流电路结构如图4-19a所示。图4-19单相桥式全控整流电路驱动电阻负载时的电路及波形

图4-19单相桥式全控整流电路驱动电阻负载时的电路及波形

由于在交流电源的正负半周都有恒流输出电流流过负载，因此，该电路为全波整流电路。图4-19单相桥式全控整流电路驱动电阻负载时的电路及波形

在变压器的二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，其平均值为零（图4-19d），即直流分量为零，不会产生变压器铁心直流磁化问题，变压器绕组的利用率也大为提高。整流电压平均值为：

图4-19单相桥式全控整流电路驱动电阻负载时的电路及波形向负载输出的直流电流平均值为：

由于晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3分组工作，轮流导通，因此，流过晶闸管的电流平均值只是输出直流电流平均值的一半，即

图4-19单相桥式全控整流电路驱动电阻负载时的电路及波形

为选择晶闸管、变压器容量、导线横截面积等参数，需要考虑发热问题。因此，还有必要计算电流的有效值。流过晶闸管的电流有效值为：

图4-19单相桥式全控整流电路驱动电阻负载时的电路及波形

由式4-12和4-13可见：

2.驱动阻感负载的工作情况

单相桥式全控整流电路驱动阻感负载时的电路结构及波形如图4-20所示。图4-20单相桥式全控整流电路驱动阻感负载时的电路及波形

由于负载中有电感存在，电感对电流变化的抗拒作用使电流不能突变，也就是说，电感对电流具有平波作用。

假设负载电感很大，负载电流连续且波形近似为一条水平直线，如图4-20d所示。

图4-20单相桥式全控整流电路驱动阻感负载时的电路及波形

到下一个周期，电路会继续重复上述过程，如此周而复始地循环下去。图4-20单相桥式全控整流电路驱动阻感负载时的电路及波形

图4-20单相桥式全控整流电路驱动阻感负载时的电路及波形

3.驱动反电动势负载时的工作情况

当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，这类负载就是反电动势负载。a）电路

b）工作波形图4-21单相桥式全控整流电路接反电动势-电阻负载时的电路及波形

单相桥式全控整流电路驱动反电动势-电阻负载时的电路及波形如图4-21所示。

为电动乘用车（动力电池容量较小）充电的家用壁挂式小功率充电器（图4-22），其主电路就是基于图4-21所示的电路构成的。图4-22基于单相桥式全控整流电路的家用壁挂式小功率充电器a）电路

b）工作波形图4-21单相桥式全控整流电路接反电动势-电阻负载时的电路及波形

停止导电角δ的数值为：

（4-16）a）电路

b）工作波形图4-21单相桥式全控整流电路接反电动势-电阻负载时的电路及波形

4.2.3三相桥式全控整流电路

当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易于滤波时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。

在实际应用中，特别是针对大功率充电桩（图4-23）而言，三相桥式全控整流电路的应用最为广泛。对于某些高品质的大功率充电桩，还可以采用双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，但其结构复杂，价格较高。图4-23大功率充电桩

典型的三相桥式全控整流电路结构如图4-24所示。在业内，电气工程师习惯将阴极连接在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组，将阳极连接在一起的三个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。

此外，习惯上希望晶闸管按照从1到6的顺序导通。为此，将六个晶闸管按照图4-24所示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别命名为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别命名为VT4、VT6、VT2。

对六个晶闸管这样命名和编号的优点是，可以确保整流电路投入工作后，晶闸管的导通顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6，分析起来比较方便。图4-24三相桥式全控整流电路原理图1.驱动电阻负载时的工作情况

在图4-24所示的三相桥式全控整流电路中，当接通电源、整流器投入工作后，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的那个晶闸管将优先导通；对于共阳极组的三个晶闸管，阴极所接交流电压值最小的那个晶闸管将优先导通。图4-24三相桥式全控整流电路原理图

也就是说，在任一时刻，共阴极组的三个晶闸管，将有一个晶闸管处于通态；共阳极组的三个晶闸管，也将有一个晶闸管处于通态，从而形成整流回路，而施加在负载上的整流输出电压，是三个线电压中的某一个。此时，三相桥式全控整流电路的工作波形如图4-25所示。图4-25三相桥式全控整流电路驱动电阻负载（

=0

）时的波形

图4-25三相桥式全控整流电路驱动电阻负载（

=0

）时的波形

图4-25三相桥式全控整流电路驱动电阻负载（

=0

）时的波形

在每一段中，处于通态的晶闸管以及整流输出电压的情况见表4-1。

由表4-1可见，这六个晶闸管的导通顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6。时段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6表4-1三相桥式全控整流电路驱动电阻负载（

=0

）时晶闸管的工作情况图4-25三相桥式全控整流电路驱动电阻负载（

=0

）时的波形

①在每一时刻，均需有两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路。其中，一个晶闸管来自共阴极组，一个晶闸管来自共阳极组，且这两个晶闸管不能位于同一相。

图4-25三相桥式全控整流电路驱动电阻负载（

=0

）时的波形

④在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路能够正常工作，需要保证同时导通的两个晶闸管均能收到触发脉冲。

图4-25三相桥式全控整流电路驱动电阻负载（

=0

）时的波形

采用双脉冲触发时，电路的结构较为复杂，但触发电路的输出功率较小。因此，双脉冲触发控制法的应用最为广泛。

2.驱动阻感负载时的工作情况

三相桥式全控整流电路主要用于向阻感负载和具有反电动势的负载（如电动汽车动力电池或直流电动机）供电。

下面主要分析驱动阻感负载时的工作情况。对于具有反电动势的负载，只需在阻感负载的基础上，掌握其工作特点，即可把握其总体工作情况。

3.定量分析

（4-17）

（4-18）

（4-19）

（4-20）式中，R和E分别为负载中的电阻值（Ω）和反电动势的值（V）。4.2.4整流电路的控制与保护1.控制电路

图4-32同步信号为锯齿波的触发电路结构框图2.保护电路

在实用的整流电路（特别是车载充电器电路）中，除控制电路之外，还需设置短路保护、过载保护、防（动力电池）过充保护等详尽、周全的保护电路，才能确保车载充电器正常工作。3.电磁干扰抑制电路

在电力电子设备中，电磁干扰（ElectromagneticInterference，EMI）是无处不在的。为提高设备性能，还需有针对性地设置电磁干扰抑制电路。4.谐波抑制电路

谐波（HarmonicWave）是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解时所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，而基波（FundamentalWave）是指其频率与工频（50Hz）相同的分量。

谐波的存在，会降低发电、输电、变电及用电设备的效率；影响用电设备的正常工作；引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害；导致继电保护和自动装置的误动作；对通信系统造成干扰。

通过设置谐波抑制电路，可有效抑制谐波的负面影响，提高电路的工作品质。5.功率因数校正电路

无功功率是指在具有电抗的交流电路中，电场或磁场在一周期的一部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间则释放能量，在整个周期内平均功率为零，但能量在电源和电抗元件（电容、电感）之间不停地交换。这种不做功的、交换率的最大值即为无功功率（ReactivePower）。

（4-21）

无功功率的存在，会导致设备容量增加；使设备和线路的损耗增加；线路压降增大、电压剧烈波动。因此，在电力电子设备中需要设置必要的功率因数校正（PowerFactorCorrection，PFC）电路，以提高功率因数。

为减轻整流装置所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰，可采用多重化整流电路——将几个整流电路进行多重联结，可以减少交流侧输入电流谐波，对晶闸管多重整流电路采用顺序控制方法可有效提高功率因数。6.通信电路

为确保动力电池能够高效、安全地完成充电，在充电过程中，保持电池管理系统BMS与动力电池、直流充电桩（或车载充电器）之间的信息共享，随时调整充电电流的大小，是非常必要的。

为此，在实际使用的整流电路中，还需要设计电池管理系统BMS与动力电池、直流充电桩（或车载充电器）之间通信电路。

需要指出的是，本节介绍的整流电路是以晶闸管为开关器件的，属于传统的、经典的可控整流电路。

在不同厂商生产的车载充电器、充电桩实际电路中，也可以采用P-MOS管、IGBT等其他类型的电力电子器件，但其基本的工作原理和控制方法都是相同或相似的。

通信电路具体的结构形式，与电动汽车的车载网络系统密切相关，一般多采用控制器局域网（ControllerAreaNetwork，CAN）来实现上述通信功能。具体技术细节可参阅机工社出版、凌永成主编的《车载网络技术》教材。4.3逆变电路4.3.1基本原理与换流方式

与整流相对应，将直流电变换成交流电，称为逆变（Invertion）。能够实现逆变的电路，称为逆变电路或称逆变器（Inverter）。

如果交流侧与电网直接连接，则称之为为有源逆变；如果交流侧与负载（如驱动电机）直接连接，则称之为无源逆变。

交流电机调速用变频器（包括电动汽车的电机控制器）、热处理企业广泛使用的感应加热电源（即感应加热炉）以及计算机机房使用的不间断电源（Un-interruptiblePowerSupply，UPS）等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。电动汽车的电机控制器1.逆变电路的基本原理

a)基本电路b)驱动阻感负载时的电流波形图4-33逆变电路及其波形分析

显然，通过控制电路，改变两组开关器件的切换频率，即可改变输出交流电的频率。a)基本电路b)驱动阻感负载时的电流波形图4-33逆变电路及其波形分析

a)基本电路b)驱动阻感负载时的电流波形图4-33逆变电路及其波形分析

2.换流方式分类

电流从一个支路向另一个支路转移的过程，称为换流，也称为换相。研究换流方式主要是研究如何使开关器件关断。

逆变器的换流方式主要有器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流等几种。

利用全控型开关器件的自关断能力进行换流，称为器件换流（DeviceCommutation）。器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。

在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中，其换流方式就是器件换流。目前，在电动汽车电力电子技术中，为交流电机提供三相交流电的逆变器，均采用器件换流方式。4.3.2单相电压型逆变电路

根据直流侧电源性质的不同，可将逆变电路分为电压型逆变电路和电流型逆变电路两大类。

直流电源为电压源的逆变电路，称为电压型逆变电路（亦称电压源逆变器。图4-34）；直流电源为电流源的逆变电路，称为电流型逆变电路。图4-34电压型逆变电路（全桥逆变电路）

电动汽车的动力电池具有电压源特性。因此，在电动汽车中，负责将动力电池的高压直流电变换成交流驱动电机所需的交流电的逆变器，均属于电压型逆变电器。

电压型逆变电器，具有如下特点：直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；由于直流电压源的钳位作用，其输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗的不同而异；阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各桥臂均并联有反馈二极管（即前文所述的续流二极管）。1.半桥逆变电路

单相半桥电压型逆变电路如图4-35a所示。在直流侧接有两个相互串联的电容值足够大的电容器，两个电容的连接点便成为直流电源的中点，负载连接在直流电源中点和两个桥臂的连接点之间。a）电路b）波形图4-35单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a）电路b）波形图4-35单相半桥电压型逆变电路及其工作波形

a）电路b）波形图4-35单相半桥电压型逆变电路及其工作波形

当可控器件为不具有门极可关断能力的晶闸管时，必须附加强迫换流电路，图4-35a所示的电路才能正常工作。

因此，半桥逆变电路常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。a）电路b）波形图4-35单相半桥电压型逆变电路及其工作波形2.全桥逆变电路

（4-22）

（4-23）

（4-24）

对于感阻负载，还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方法称为移相调压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。

下面对其工作过程做具体分析。

3.带中心抽头变压器的逆变电路

带中心抽头变压器的逆变电路如图4-37所示。

4.3.3三相电压型逆变电路

三相桥式逆变电路可以传输和转换更大的功率，适用于电动汽车等大功率应用场合。

因为每次换流都是在同一相的上下两个桥臂之间进行，因此这种换流方式亦称纵向换流。

图4-39电压型三相桥式逆变电路的工作波形

图4-39电压型三相桥式逆变电路的工作波形

（4-25）

（4-26）将上面各式相加并整理，可得图4-39电压型三相桥式逆变电路的工作波形

（4-27）

（4-28）

图4-39电压型三相桥式逆变电路的工作波形

桥臂1和桥臂4之间的换流过程与半桥电路相似。

（4-29）（4-30）

（4-31）（4-32）

即控制电路先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后再延时一段时间（留出足够的时间裕度），然后再给应导通的器件发出导通信号。也就是说，在两者之间，应预留出一个短暂的死区时间。死区时间的长短，视开关器件的翻转速度而定，开关器件的翻转速度越快，预留的死区时间就可以越短。

显然，这种“先断后通”的控制方法，对于确保逆变电路的正常工作，是非常必要的。4.4直流-直流变流电路

直流-直流变流电路（DC-DCConverter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

直接直流变流电路也称斩波电路（DCChopper），其功能是将直流电变换为另一固定电压或可调电压的直流电。斩波电路一般是指直接将直流电变换为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。

间接直流变流电路在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入、输出之间的隔离，因此也称为直-交-直电路。4.4.1降压斩波电路

降压斩波（BuckChopper）电路的原理图及工作波形如图4-40所示。图4-40降压斩波电路的原理图及波形

在电动汽车中，采用降压斩波电路构成的DC-DC变换器主要用于将动力电池的高电压变换为车身电器设备需要的低电压（12V系统）并给电动汽车的辅助蓄电池（12V系统）充电。

该电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。电路中设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供续流通道。图4-40降压斩波电路的原理图及波形

当电流连续时，负载电压的平均值为:

（4-37）

图4-40降压斩波电路的原理图及波形

（4-37）

这种电路相当于将输入电压砍了一刀，然后将被“腰斩”的电压加到负载上，故称降压斩波电路，亦称Buck变换器（BuckConverter）。从这个意义上看，可以认为降压斩波电路是一种直流变压器。负载电流平均值为:

（4-38）

图4-40降压斩波电路的原理图及波形

这种控制方式亦称脉冲宽度调制（Pulsewidthmodulation，PWM），简称脉宽调制。4.4.2升压斩波电路

升压斩波（BoostChopper）电路的工作原理及波形如图4-41所示。开关管V采用全控型器件，如IGBT。a）电路b）波形

图4-41升压斩波电路及其工作波形

a）电路b）波形

图4-41升压斩波电路及其工作波形

（4-39）进一步化简可得

（4-40）

a）电路b）波形

图4-41升压斩波电路及其工作波形

（4-40）

（4-41）可将式4-40表示为

（4-42）a）电路b）波形

图4-41升压斩波电路及其工作波形

（4-42）

（4-43）

由该式可见，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是一种直流变压器。

（4-44）

升压斩波电路多用于直流电机再生制动时，将电能回馈给直流电源。也可用作单相功率因数校正（PowerFactorCorrection，PFC）电路，以及用于其他交直流电源中。a）电路b）波形

图4-41升压斩波电路及其工作波形

在纯电动汽车中，由于没有了传统的内燃机作为动力源和热源，使得空调制冷系统的压缩机的驱动以及采暖问题的解决，都发生了变化。

例如，比亚迪e5纯电动汽车动力电池电压为633.6V‌，而该车的电动空调压缩机采用653V驱动，采暖系统采用具有正温度系数（PTC）的热敏电阻加热器（其工作电压为640V‌‌）对驱动电机冷却液进行加热，以获得热源。为协调动力电池电压、电动空调压缩机以及PTC加热器电压，就需要采用升压斩波电路（升压型DC-DC变换器）进行匹配。

此外，在燃料电池电动汽车中，还普遍使用升压斩波电路将燃料电池组（亦称电堆或称堆栈）输出的低电压，变换成动力电池组的高电压，以驱动电机运转、确保汽车正常行驶。4.4.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路‌1.升降压斩波电路

a）电路b）波形图4-42升降压斩波电路的工作原理及波形图

a）电路b）波形图4-42升降压斩波电路的工作原理及波形图

（4-46）

（4-47）所以输出电压为：

（4-48）a）电路b）波形图4-42升降压斩波电路的工作原理及波形图

（4-48）

a）电路b）波形图4-42升降压斩波电路的工作原理及波形图

（4-49）由上式可得

（4-50）

如果V、VD均为没有损耗的理想器件，则该电路的输出功率和输入功率相等，即

（4-51）由此可见，可将升降压斩波电路视为一个变压比可调的直流变压器。2.Cuk斩波电路Cuk斩波电路的原理和等效电路图如图4-43所示。

该电路的等效电路如图4-43b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换。

（4-52）

由此可得

进一步可得（4-53）

（4-54）

（4-55）

这一输入、输出的关系与升降压斩波电路的情况相同。

与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点——其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。4.4.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路1.Sepic斩波电路Sepic斩波电路和Zeta斩波电路如图4-44所示。Sepic斩波电路的工作原理如下：当开关管V处于通态时，E-L1-V回路和C1-V-L2回路同时导通，电感L1和L2储能。

当开关管V处于断态时，E-L1-C1-VD-负载R回路及L2-VD-负载R回路同时导通。此阶段E和L1既向负载R供电，同时也向C1充电（C1储存的能量在V处于通态时向L2转移）。

Sepic斩波电路的输入输出关系如下：

（4-56）

可见，Sepic斩波电路的输入输出关系与Cuk斩波电路的输入输出关系相同（式4-55与式4-56相同）。2.Zeta斩波电路

Zeta斩波电路的工作原理如下：当开关管V处于通态时，电源E经开关V向电感L1储能。同时，电源E和电容C1共同经电感L2向负载R供电；当开关管V处于断态时，L1-VD-C1构成振荡回路，L1的能量转移至C1。能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载R供电。

Zeta斩波电路的输入、输出关系为

（4-57）

比较式4-56和式4-57可知，Sepic斩波电路与Zeta斩波电路具有相同的输入、输出关系。

在Sepic斩波电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波，反之，Zeta斩波电路的电源电流断续而负载电流连续。

与Buck-Boost斩波电路和Cuk斩波电路相比较，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的输出电压均为正极性。

（4-56）Sepic斩波电路：Zeta斩波电路：

（4-57）4.4.5复合斩波电路和多相多重斩波电路

将升压斩波电路与降压斩波电路进行组合，即可得到复合斩波电路。对结构相同的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路，可大幅度提高斩波电路的整体性能。

多相多重斩波电路是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的。

一个控制周期中电源侧的电流脉波数，称为斩波电路的相数，负载电流脉波数，称为斩波电路的重数。典型的三相三重降压斩波电路如图4-45所示。图4-45三相三重降压斩波电路图4-45（a）

三相三重降压斩波电路

而由于三个单元电流的脉动幅值互相抵消，使总的输出电流的脉动幅值变得很小。图4-45（b）

三相三重降压斩波电路的输出波形图4-45（a）

三相三重降压斩波电路图4-45（b）

三相三重降压斩波电路的输出波形

多相多重斩波电路的总输出电流最大脉动率（即电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比地减小，且输出电流脉动频率提高，因此与单相斩波电路相比，设输出电流的最大脉动率一定时，电路所需平波电抗器的总重量会大为减轻。图4-45（a）

三相三重降压斩波电路图4-45（b）

三相三重降压斩波电路的输出波形

此时，电源电流为各个开关管的电流之和，其脉动频率为采用单个斩波电路时的三倍，谐波分量与采用单个斩波电路时显著减小。

此外，电源电流的最大脉动率与采用单个斩波电路时相比，也是与相数的二次方成反比地减小。这使得由电源电流引起的干扰大为减小。若需滤波，只需接上简单的LC滤波器就能起到良好的滤波效果。图4-45（a）

三相三重降压斩波电路图4-45（b）

三相三重降压斩波电路的输出波形

当上述电路电源公用而负载为三个独立负载时，则为三相一重斩波电路；而当电源为三个独立电源，向一个负载供电时，则为一相三重斩波电路。

多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用，若某一斩波单元发生故障，其余各单元仍可以继续运行，使电路的总体可靠性得以提高。4.4.6具有输入、输出隔离功能的直流-直流变流电路

在电动汽车上实际使用的DC-DC变换器中，多采用具有输入、输出隔离功能的直流-直流变流电路（图4-46），以期获得更好的电路品质。图4-46具有输入、输出隔离功能的直流-直流变流电路

在具有输入、输出隔离功能的直流-直流变流电路中，其交流环节采用较高的工作频率（可达几百kHz甚至几MHz），可以大幅度减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。

由于工作频率较高，逆变电路通常采用全控型器件，如GTR、MOSFET、IGBT等。整流电路中通常采用快速恢复二极管或肖特基二极管。在低电压输出的电路中，通常采用通态电阻极低的P-MOSFET构成同步整流电路（SynchronousRectification），以期进一步降低损耗。

在具有输入、输出隔离功能的直流-直流变流电路中，推挽电路的应用最为广泛。

推挽（Push-Pull）电路是一种在两个不同极性的开关管之间连接的输出电路。推挽电路采用两个参数相同的功率GTR或P-MOSFET管，以推挽（一推一拉）方式存在于电路中，两个不同极性的开关管各负责正负半周的波形放大任务。电路工作时，两只对称的开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。典型的推挽电路如图4-47所示，其工作波如图4-48所示。图4-48推挽电路的工作波形

图4-48推挽电路的工作波形

如果两个开关管S1和S2同时导通，则会导致变压器一次侧绕组短路。因此，不能允许开关管S1和S2同时导通。故在设计控制电路时，应确保两个开关管各自的占空比不能超过50%。为确保绝对可靠，还需留出有必要的死区时间。

当流经滤波电感L的电流连续时，有

（4-58）

图4-48推挽电路的工作波形

当流经滤波电感L的电流不连续时，电路的输出电压将高于式4-58的计算值，且实际输出电压值将随着负载的减小而升高。

（4-58）4.5脉宽调制技术

脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）就是对脉冲宽度进行调制，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。4.5.1PWM控制的基本原理

采样控制理论中有一个重要的结论——将冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有一阶惯性环节的电路上时，其作用效果基本相同。PWM技术在电力电子变流领域的应用极为广泛。

冲量即指窄脉冲的面积。这里所讲的作用效果基本相同，是指该电路的输出响应波形基本相同。

如果将各个输出波形用傅里叶级数展开，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

上述原理称为面积等效原理。面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础。

下面分析如何用一系列等幅而不等宽的矩形脉冲来拟合一个正弦半波。图4-51用PWM波拟合正弦半波

如果将上述脉冲序列利用N个等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，即可得到如图4-51b所示的脉冲序列，这就是PWM波形。

不难看出，各个脉冲的幅值相等而宽度不等，其宽度是按照正弦规律变化的。根据面积等效原理，图4-51b所示的这一系列等幅而不等宽的矩形脉冲序列，与图4-51a所示的一系列等宽而不等幅的非矩形脉冲序列，两者是等效的。

也就是说，依据面积等效原理，可以用4-51b所示的这一系列等幅而不等宽的矩形脉冲序列来等效（拟合）图4-51a所示的正弦波。

像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而与正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（SinusoidalPWM）波形。如果想改变等效输出正弦波的幅值，只需按照一定的比例系数改变上述脉冲序列的宽度即可。

在电动汽车中，逆变器正是基于这一原理，将动力电池提供的直流电转变成驱动电机所需要的交流电的。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。

由直流电源产生的PWM波通常是等幅而不等宽的PWM波。如前述的直流斩波电路和逆变电路，其PWM波都是由直流电源产生的，由于直流电源的电压幅值基本恒定，因此其输出的是等幅而不等宽的PWM波。图4-51用PWM波拟合正弦半波

在将交流电转变成直流电的整流电路中，其输出也是一系列等幅而不等宽的PWM波，并以此来拟合电路负载所需要的连续的直流电。

此外，基于面积等效原理，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。4.5.2PWM的控制方法1.计算法

根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，可将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的导通和关断，就可以得到所需要的PWM波形，这种方法称之为计算法。

计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化，使得其应用受到了限制。

2.调制法

与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。

通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。因为等腰三角波上任意一点的水平宽度与高度呈线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中的开关器件的导通和关断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。

下面结合具体电路做进一步的分析。典型的单相桥式PWM逆变电路如图4-52所示，其中的四个可控开关管为IGBT。

图4-53单极性PWM控制方式波形

图4-53单极性PWM控制方式波形

与单极性PWM控制方式相对应的，就是双极性PWM控制方式。如图4-52所示的典型的单相桥式PWM逆变电路，如果采用双极性PWM控制方式，则其波形如图4-54所示。图4-54双极性PWM控制方式波形

图4-54双极性PWM控制方式波形

从上述分析不难看出，对于单相桥式PWM逆变电路，既可以采用单极性调制控制方式，也可以采用双极性调制控制方式。由于对开关管的通断控制规律不同，电路的输出波形也有较大的差异。

U、V和W三相的开关管的控制规律相同，现以U相为例，分析电路的工作过程。

开关管V1和V4的驱动信号始终是互补的。V相和W相的工作情况与U相相同，在此不做赘述。

当给开关管V1（V4）施加导通信号时，可能是开关管V1（V4）导通，也可能是续流二极管VD1（VD4）续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。

这与单相桥式PWM逆变电路在采用双极性控制方式时的情况相同。

图4-56三相桥式PWM逆变电路波形

（4-59）图4-56三相桥式PWM逆变电路波形

（4-59）

在电压型逆变电路的PWM控制中，在同一相中，上下两个桥臂的驱动信号是互补的。但在实际应用中，为了防止上下两个桥臂同时导通而造成短路，控制电路会在上下两个桥臂进行通断切换时，留出一小段死区时间。

在死区时间段内，控制电路施加给上下两个桥臂开关管的驱动信号均为关断信号，以确保应该关断的桥臂进入可靠关断状态，以防止短路事故的发生。

上下两个桥臂开关管死区时间段的长短，主要取决于开关管的关断速度。如果开关管的关断速度快，则可取较短值，如果开关管的关断速度慢，则可取较长值。由于死区时间段的存在，将会给输出电压的实际波形造成一定的不良影响，使其稍稍偏离正弦波形。4.5.3空间矢量脉宽调制技术

空间矢量脉宽调制（SpaceVectorPulseWidthModulation，SVPWM）技术广泛运用于变频器中，驱动交流电机时，使交流电机的磁链成为圆形的旋转磁场，从而使交流电机产生恒定的电磁转矩。

图4-38所示的三相电压型桥式逆变电路，当采用180°导通方式，对三相开关管的通断状态进行组合时，共有8种工作状态，即V6、V1、V2导通，V1、V2、V3导通，V2、V3、V4导通，V3、V4、V5导通，V4、V5、V6导通，V5、V6、V1导通，以及V1、V3、V5导通和V2、V4、V6导通。

如果用“1”表示每相上桥臂上的开关管导通，用“0”表示下桥臂上的开关管导通，则上述8种工作状态可依次表示为100、110、010、011、001、101以及111和000。

从实际工作分析，前六种状态有输出电压，属有效工作状态，而后两种全部是上管导通或下管导通，没有输出电压，称之为零工作状态，故对于这种基本的逆变器，称之为六拍逆变器。

对于111和000这两个“零工作状态”，在这里表现为位于原点的零矢量，坐落在正六边形的中心点。

如果不用六拍逆变器，而采用SVPWM控制，就可以使交流电机的磁链尽量接近圆形。所用的工作频率越高，磁链就越接近圆形。需要的电压矢量不是六个基本电压矢量时，可以用两个基本矢量和零矢量的组合来实现。

4.5.4

PWM跟踪控制技术

把希望输出的电流波形或电压波形作为指令信号，把实际电流波形或电压波形作为反馈信号，通过指令信号与实际信号瞬时值的偏差（差值）来决定逆变电路各开关管的通断时刻，从而使实际的输出信号跟踪指令信号变化，这样的控制方法，称为跟踪控制方法。

在电动汽车的逆变器及电机控制中，常用的跟踪控制方法有滞环比较方式和三角波比较方式。1.滞环比较方式

在跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用的最多。典型的采用滞环比较方式实现电流跟踪控制的电路如图4-58所示，图4-59给出了电路的输出电流波形。

采用滞环比较控制方式的三相电流跟踪型PWM逆变电路如图4-60所示。

图4-61给出了该电路输出的线电压和相电流的波形。