碳化硅制成的逆變器是電動(dòng)汽車的核心部件。下面，我將帶你進(jìn)一步了解碳化硅器件是如何組成逆變器的。

 

這一切，仍舊要回歸逆變器的功能——將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為正弦交流電（AC）。如下圖所示，左邊為直流電，而右邊為正弦交流電——隨著時(shí)間的變化，電壓增加再減少，最后低于零，再增加，不斷重復(fù)。

那正弦交流電是怎么產(chǎn)生的呢？這個(gè)涉及到兩步，第一步是產(chǎn)生方形交流電，第二步使得方形成為正弦型。

 

第一步：產(chǎn)生方形交流電。

 

其實(shí)一開(kāi)始使用的交流電沒(méi)有這么多的變化，波形如下圖所示。這是最基本的交流電——產(chǎn)生正的電壓，再產(chǎn)生負(fù)的電壓，不斷重復(fù)。

 

 

 

要實(shí)現(xiàn)方形交流電，由波形就可以看出，只要讓流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的電流一會(huì)是正向的，一會(huì)反向就行了。為了實(shí)現(xiàn)這樣的效果，有這么一種四個(gè)開(kāi)關(guān)的電路，如下圖所示，AB 兩點(diǎn)接電動(dòng)機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)的名字呢，是全橋逆變電路。

 

 

 

這時(shí)候你就明白了，只需要控制開(kāi)關(guān)不停的切換，就可以使得流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流不斷的從正到負(fù)變換了。這就是產(chǎn)生方波交流電的原理。每切換兩次開(kāi)關(guān)，就是一次交流電的周期。如果你一秒切換兩次，那么輸出的交流電的頻率就是 1Hz。

 

 

 

日常生活中的交流電的頻率一般為 50Hz（中國(guó)）或 60Hz（美國(guó)），而無(wú)線電技術(shù)中涉及的交流電頻率一般較大，達(dá)到 kHz，甚至 MHz 的度量。這么高的切換速度，沒(méi)有人可以做到，而這樣的開(kāi)關(guān)，所有的機(jī)械操作也做不到。

 

這時(shí)候，MOSFET 登場(chǎng)了。MOSFET 每秒可以開(kāi)關(guān)數(shù)千次，而使用 SiC 制成的 MOSFET 更是可以承受 kHz 以上的頻率，這就是所謂的高頻器件。

 

 

 

這樣，我們就完成了第一步，使用四個(gè) MOSFET 制成的開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)方形交流電的輸出。但是，方波切換的不連續(xù)，會(huì)使得電動(dòng)機(jī)的損耗大大增加，甚至產(chǎn)生破壞和噪音。接下來(lái)，就是將方形交流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電。

 

第二步：將方形交流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電

 

這里需要用到的技術(shù)叫做脈沖寬度調(diào)制——也就是改變切換開(kāi)關(guān)的持續(xù)時(shí)間。一開(kāi)始持續(xù)時(shí)間短，這樣平均下來(lái)就小了。中間持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)些，就有最大值了。用相同的時(shí)間寬度去處理這些信號(hào)，那就慢慢從數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)了。脈沖寬度調(diào)節(jié)的越小，得到的信號(hào)就越接近正弦波。

 

 

 

那么，如何控制開(kāi)關(guān)的持續(xù)時(shí)間呢？這里引入了兩個(gè)比較器。比較器的第一個(gè)作用是防止電路短路，也就是開(kāi)關(guān) S1 和 S2 是不會(huì)不會(huì)同時(shí)開(kāi)通，開(kāi)關(guān) S3 和 S4 是不會(huì)不會(huì)同時(shí)開(kāi)通；第二個(gè)作用是比較三角波交流電和正弦波交流電（這兩個(gè)信號(hào)來(lái)源于其他電路），形成電動(dòng)機(jī)的電壓差，也就是控制 MOSFET 的開(kāi)關(guān)。這些電路就是邏輯電路，同樣可以使用 SiC 器件實(shí)現(xiàn)。

 

 

 

為了使得曲線更加平滑，還可以再接上電容和電感等儲(chǔ)能元件，或者說(shuō)濾波元件。電感用來(lái)平滑電流曲線，電容用來(lái)平滑電壓曲線。這時(shí)候，就得到了正弦交流電。

 

 

 

這時(shí)候，使用的電源只有一個(gè)電壓。如果引入更多的電壓值，那可以得到更加精細(xì)的正弦波。這種技術(shù)叫做多重電壓逆變技術(shù)，可以用在電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等需要更加精細(xì)的交流電的場(chǎng)合。

 

 

 

頻率控制電動(dòng)車的速度，振幅控制電動(dòng)車的動(dòng)力，這樣，逆變器的原理你就學(xué)會(huì)了。

 

舉個(gè)逆變器的實(shí)例，是不是看得懂了呢？