『湯叔解惑』不可小看的逆變器，沒有它電動車有電池也跑不起來

我在之前的專欄文章中為大家介紹過交流電機（感應電機）的工作原理。在那期內容中我們曾經介紹過，

交流電機必須要正弦波交流電才能驅動旋轉

。但車載動力電池能夠輸出的是直流電，本期來為大家解讀逆變器是如何把直流電轉換成正弦波交流電的，並且交流電機的轉速和扭矩是如何被逆變器所控制的。

對於配備交流感應電機的電動車，必須透過逆變器，把電池包輸出的高壓直流電轉換成可控制幅值和頻率的正弦波交流電，才能驅動車輛行駛。

交流電分很多種，有方波，正弦波，三角波等，我們家用的 220 V 交流電就是頻率為 50 Hz 的正弦波，對於感應電機來說需要正弦波才能驅動運轉。

要想知道正弦波如何獲得，我們先要知道如何獲得方波。以上電路叫做 Full BridgeInverter，也叫全橋逆變電路。它的結構很簡單，由四個開關（S1-S4）組成。A和B為電路輸出端的正負極。

當 S1 接通 S2 斷開，S4 接通 S3 斷開的時候，電路會從 B 端流向 A 端。

相反，當 S2 接通 S1 斷開；S3 接通 S4 斷開的話，電流的流向發生了逆轉，變成了從 A 端流向了 B 端。

我們日常的家用 220 V 電源頻率為 50 Hz 這就意味著每分鐘需要開關 100 次。這樣高的頻率是不可能用人工的方式控制的，所以需要接入場效電晶體（Mosfet），這個電子元件可以實現每分鐘上千次的開關。

透過場效電晶體的開關控制，可以獲得我們所需要的方波，至少電池輸出的直流電此時已經變成了交流電，但是光有這樣的方波還不夠，我們還需要把它調至為正弦波。

透過控制開關接通和斷開的時間，可以獲得不同的方波脈衝寬度，用於調製出接近正弦波的波形。

把這些脈衝的時間平均就能獲得接近正弦波的波形。

那麼逆變器是如何透過電路設計調製出純正的正弦波的呢？

這就需要我們在電路上增加兩個比較器，分別為比較器 1 和比較器 2 ——比較器能夠比較正弦波和三角波。

當正弦波大於三角波時比較器發出 1 的訊號，當正弦波小於三角波時比較器發出0的訊號。

透過比較器我們可以獲得所需要的脈衝方波。

在每個比較器支路上接入一個非門。它能自動控制S1和S2的開關邏輯。也就是說，當 S1 接通時 S2 必須斷開；S2 接通時 S1 必須斷開，否則將會短路。S3 和 S4 的控制也是同樣的道理。

在兩組開關的相互配合控制下，我們就能獲得方向相反的脈衝交流方波。

三角波越精細，獲得的脈衝串越準確。再透過對脈衝串的調製就能獲得平滑的正弦波曲線。

通常設計者會透過在電路當中增加電容和電感的方式用於平滑曲線。電容用於平滑電壓曲線，電感用於平滑電流曲線。就好比在電路上增加了一個小容量的水庫（或者說二級快取）電容就相當於一個可以瞬間充放電的電池，它能吸收電壓脈衝，讓輸出曲線變得平滑而不是像方波那樣充滿鋸齒。

以上所說的只有一組電壓就能實現正弦波的輸出，如果用多組電壓進行調製，就能獲得精度更高的正弦波曲線，並且控制精度也更加精準。這種方法叫做多重電壓逆變技術，多用於風力發電機或電動汽車。

特斯拉就是透過控制交流電的頻率來控制電機的轉速，透過控制交流電的幅值來實現控制電機的扭矩輸出。這種多重電壓逆變技術可以非常精準的控制交流感應電機的扭矩和轉速輸出。

逆變器屬於電動汽車三電系統中的電控系統。逆變器效能的好壞直接影響著電機的效能表現，這也是各大新能源汽車企業的核心技術。目前國內只有少數主機廠掌握逆變器技術，大部分主機廠都需要從供應商購買。所以逆變器技術的掌握和突破就如同燃油車時代的變速箱技術一樣，將會成為新能源汽車產品的核心技術。