逆變器PCB在與關(guān)鍵部件的緊密協(xié)作下，能夠發(fā)揮出卓越的性能。它們之間的和諧配合，就如同精心編排的交響樂，每一個(gè)部分都至關(guān)重要，共同創(chuàng)造出美妙的旋律。
將逆變器PCB及其組件比作一個(gè)永不停歇的都市，這個(gè)比喻再恰當(dāng)不過。在這座城市中，每一條街道、每一座建筑、每一個(gè)交通信號(hào)，都代表著PCB上的不同功能區(qū)，它們夜以繼日地運(yùn)轉(zhuǎn)，確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效。
在探索逆變器PCB的奧秘時(shí)，以下幾個(gè)主要部件是值得你特別關(guān)注和深入了解的：
電阻器 Resistors
- 電阻器負(fù)責(zé)在電流通過印刷電路板時(shí)，通過抵抗電流流動(dòng)來(lái)散發(fā)熱量。
- 電阻器有不同的尺寸和類型，這些尺寸和類型基于不同的材料和電阻值。
電容器Capacitors
- 電容器負(fù)責(zé)儲(chǔ)存電能，并在電路需要更多電能時(shí)釋放它。
- 它在導(dǎo)電層之間通過介電或絕緣屏障收集相反的電荷。
- 你可以通過觀察介電或?qū)w材料來(lái)對(duì)電容器進(jìn)行分類，這會(huì)導(dǎo)致不同類型的電容變化。
電感器 Inductors
- 這是一個(gè)線性被動(dòng)組件，當(dāng)電流通過它們時(shí)，它們以磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)存能量。
- 最簡(jiǎn)單的電感器類型是線圈，隨著線圈數(shù)量的增加，其磁場(chǎng)也會(huì)增強(qiáng)。
電位器 Potentiometers
- 這是一種可變電阻器，有線性和旋轉(zhuǎn)兩種可變類型。
變壓器 Transformer
- 變壓器有助于將電力從PCB的一個(gè)電路轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電路。
- 它將電流從PCB的一個(gè)電路轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電路，并在轉(zhuǎn)移過程中降低或增加電壓。
二極管 Diodes
- 二極管允許電流在特定方向上通過它們一次。電流將從二極管的陰極流向陽(yáng)極，單向流動(dòng)。
晶體管 Transistors
- 晶體管是電子開關(guān)和放大器的一種類型，有雙極晶體管等不同類型。你可以根據(jù)逆變器PCB的應(yīng)用將晶體管分為不同的類別。
集成電路 Integrated Circuits
- 這些是在半導(dǎo)體材料和晶片上縮小的電路和組件。
- 集成電路通常作為控制逆變器PCB幾乎所有應(yīng)用的主要“大腦”。
晶體振蕩器 Crystal Oscillators
- 晶體振蕩器在需要穩(wěn)定和精確元件的不同電路中充當(dāng)主時(shí)鐘。
- 它們通過使壓電材料產(chǎn)生振蕩來(lái)產(chǎn)生周期性的電子信號(hào)。
繼電器和開關(guān) Relays and Switches
- 開關(guān)是一種電源按鈕，你將用它來(lái)控制電流或功率通過逆變器的流動(dòng)。
- 繼電器是一種電磁開關(guān)，你將使用螺線管來(lái)操作，當(dāng)電流流過時(shí)，螺線管會(huì)暫時(shí)變成磁性。
傳感器 Sensors
- 傳感器有助于檢測(cè)環(huán)境條件的變化，然后響應(yīng)環(huán)境變化產(chǎn)生變化。它有助于將不同物理現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)換為電子能量。
將這些元器件按照有源和無(wú)源組件進(jìn)行分類：
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類別 |
組件類型 |
描述 |
功能 |
特點(diǎn) |
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有源組件 |
晶體管 |
用于放大、開關(guān)或信號(hào)調(diào)制的半導(dǎo)體器件 |
控制電流或電壓，放大信號(hào) |
需要外部電源，可執(zhí)行復(fù)雜功能 |
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有源組件 |
集成電路 |
包含多個(gè)晶體管和電路元件的半導(dǎo)體器件 |
執(zhí)行特定的功能 |
集成度高，功能專一 |
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有源組件 |
放大器 |
增加信號(hào)的幅度 |
信號(hào)處理 |
有增益調(diào)節(jié)能力 |
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有源組件 |
二極管 |
允許電流單向流動(dòng) |
整流、穩(wěn)壓 |
具有單向?qū)щ娦?/span> |
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有源組件 |
邏輯門 |
實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯功能 |
邏輯運(yùn)算 |
處理數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)基本邏輯功能 |
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無(wú)源組件 |
電容器 |
儲(chǔ)存和釋放電能 |
過濾電流，儲(chǔ)能 |
不需要外部電源，簡(jiǎn)單穩(wěn)定 |
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無(wú)源組件 |
電感器 |
儲(chǔ)存磁能 |
過濾和調(diào)節(jié)電流 |
對(duì)電流變化有感應(yīng)作用 |
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無(wú)源組件 |
電阻器 |
限制電流的流動(dòng) |
消耗電能，分壓 |
簡(jiǎn)單，成本低 |
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無(wú)源組件 |
變壓器 |
改變交流電壓的大小 |
電壓轉(zhuǎn)換 |
在交流電路中使用 |
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無(wú)源組件 |
電位器 |
用作可變電阻 |
調(diào)整電壓或電流 |
可調(diào)節(jié)，用于信號(hào)調(diào)制 |
在電子電路和功率轉(zhuǎn)換器中，有源組件和無(wú)源組件是構(gòu)成電路的兩大基本元素，它們各自具有獨(dú)特的特性和功能：
有源組件（Active Components）:
有源組件是指那些在操作中需要外部電源或能量源的組件。它們能夠控制電流或電壓，甚至放大信號(hào)。有源組件通常包含半導(dǎo)體材料，并且可以在電路中執(zhí)行復(fù)雜的功能。
無(wú)源組件（Passive Components）:
無(wú)源組件不需要外部電源來(lái)執(zhí)行其功能。它們主要用于在電路中儲(chǔ)存能量、調(diào)節(jié)電流或電壓，以及過濾信號(hào)。無(wú)源組件僅利用通過它們的電流或電壓來(lái)工作。
需要說(shuō)明的是：
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有源組件通常更加復(fù)雜，成本也更高，但它們能夠在電路中執(zhí)行動(dòng)態(tài)的、主動(dòng)的功能。
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無(wú)源組件相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，它們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)中用于支持有源組件，確保電路的穩(wěn)定性和性能。
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在設(shè)計(jì)電路時(shí)，有源和無(wú)源組件的選型和配置需要根據(jù)電路的具體要求和預(yù)期性能來(lái)決定。
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有源組件和無(wú)源組件的協(xié)同工作是實(shí)現(xiàn)電路功能的基礎(chǔ)，無(wú)論是在簡(jiǎn)單的電子設(shè)備還是在復(fù)雜的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中。
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在功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中，有源組件負(fù)責(zé)控制和轉(zhuǎn)換功率，而無(wú)源組件則負(fù)責(zé)維持電路的穩(wěn)定性和提高效率。兩者的結(jié)合使得復(fù)雜的電力管理成為可能，這對(duì)于現(xiàn)代電子設(shè)備和工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。
逆變器PCB的主要功能是通過將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，從而產(chǎn)生不間斷的交流電流。在交流電源可用的情況下，逆變器PCB工作情況的描述。一旦逆變器PCB感應(yīng)到交流電的存在，電流將流向電池充電部分。傳感器將激活一個(gè)繼電器，該繼電器會(huì)將交流主電源傳遞到輸出插座。 借助線路電壓的幫助，交流電將被逆變?yōu)橹绷麟姡?fù)責(zé)為電池充電。它有傳感器可以判斷電池何時(shí)充滿電，這會(huì)觸發(fā)逆變器PCB停止充電。還有一些特定的逆變器PCB帶有涓流充電電路，這可以保持電池在滿充電容量。
2024年的電機(jī)控制器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局表現(xiàn)為不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)容量和潛力。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院的報(bào)告，電機(jī)控制器作為新能源汽車中重要的零部件，其市場(chǎng)隨著新能源汽車行業(yè)的增長(zhǎng)而迅速擴(kuò)張。2022年，全球電機(jī)控制器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1387.05億元人民幣，預(yù)計(jì)到2028年將增長(zhǎng)至5558.47億元人民幣，呈現(xiàn)出顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)。
在競(jìng)爭(zhēng)方面，電機(jī)控制器市場(chǎng)可以分為三大類主要生產(chǎn)企業(yè)：整車制造廠、外資企業(yè)和國(guó)產(chǎn)企業(yè)。整車制造廠如比亞迪和特斯拉等，其電機(jī)控制器銷量與整車銷量密切相關(guān)，因此具有穩(wěn)定的銷量保障。外資企業(yè)如日本電產(chǎn)、聯(lián)合電子和博格華納等，以其可靠性、高功率密度和強(qiáng)大的控制器算法實(shí)力著稱。而國(guó)產(chǎn)企業(yè)如匯川技術(shù)、上海電驅(qū)動(dòng)和英博爾等，雖然在功率密度、芯片集成設(shè)計(jì)和熱管理設(shè)計(jì)等方面與國(guó)外企業(yè)存在差距，但正在通過加大研發(fā)力度來(lái)縮小這一差距，特別是在第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體方面取得了顯著成果。
此外，電機(jī)控制器行業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)包括硅基IGBT向碳化硅MOS的迭代，以及集成化產(chǎn)品的開發(fā)，旨在提高功率密度和冷卻性能，同時(shí)降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本。
作為電機(jī)控制器的核心組件，IGBT模塊約占總成本的45%。與基于硅的IGBT功率器件相比，SiC功率器件具有體積更小、重量更輕、功率密度更高、續(xù)航里程更長(zhǎng)、控制器損耗更少、熱導(dǎo)率更好以及耐高溫等優(yōu)勢(shì)。因此，以德爾福和比亞迪為代表的供應(yīng)商已開始部署SiC電機(jī)控制器，預(yù)計(jì)未來(lái)將取代IGBT。
在未來(lái)，電機(jī)控制器行業(yè)將繼續(xù)追求技術(shù)創(chuàng)新和性能提升。硅基IGBT向碳化硅MOS的迭代，不僅能夠提高功率密度和冷卻性能，還有助于降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本。這將進(jìn)一步推動(dòng)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，提升電動(dòng)汽車的性能和經(jīng)濟(jì)效益。
對(duì)于SiC（碳化硅）電機(jī)控制器而言，充分利用SiC MOSFET器件的高溫耐受性、高效率和高頻特性是進(jìn)一步提升功率密度和效率的關(guān)鍵。SiC MOSFET逆變器被應(yīng)用于特斯拉Model 3，如圖b所示。
Model 3的SiC電機(jī)控制器由24個(gè)并聯(lián)的SiC MOSFET芯片組成，并安裝在銷釘式散熱器上，以實(shí)現(xiàn)高電流輸出（800Arms）。通過激光焊接工藝，每個(gè)SiC MOSFET都連接到銅母排上，這極大地提高了連接的可靠性。其他公司也為車輛應(yīng)用推出了全SiC逆變器。據(jù)豐田發(fā)現(xiàn)，在負(fù)載條件下，原型車的SiC功率控制單元（PCU）的損耗比圖f中的IGBT PCU減少了30%。
電裝公司（Denso）采用了雙面焊接和雙面冷卻技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)其SiC控制器的小尺寸和高效率，如圖a所示，該控制器被用于豐田的燃料電池車輛中。典型的全SiC控制器如圖所示。
精進(jìn)電動(dòng)（Jing-Jin Electric，簡(jiǎn)稱JJE）為大眾商用車開發(fā)了SiC MOSFET控制器，其功率密度超過40 kW/L。2019年底，JJE為歐盟乘用車OEM開發(fā)了發(fā)夾式繞組電機(jī)和SiC控制器原型。2020年，JJE為TRATON集團(tuán)（大眾商用車部門）開發(fā)了300-600kW系列的SiC MOSFET逆變器，如圖e所示。
如圖c所示的SiC逆變器也于2020年7月搭載在比亞迪EV-HAN上。
同時(shí)，集成化產(chǎn)品的開發(fā)也是電機(jī)控制器行業(yè)的重要趨勢(shì)。通過將多個(gè)功能集成到一個(gè)控制器中，可以減小體積、減輕重量，并提高系統(tǒng)的效率和可靠性。這將有助于降低制造成本，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)為消費(fèi)者提供更好的駕駛體驗(yàn)。
電機(jī)控制器行業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)將集中在技術(shù)創(chuàng)新、性能提升和成本降低上。這將進(jìn)一步推動(dòng)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，為消費(fèi)者提供更高效、更經(jīng)濟(jì)、更可靠的電動(dòng)汽車,如下：
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特斯拉Model3逆變器：Model3搭載了一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)—全碳化硅（SiC）逆變器。這一先進(jìn)技術(shù)相較于傳統(tǒng)硅基逆變器，在效率、重量和熱管理方面均有顯著提升。特斯拉獨(dú)有的SiC逆變器技術(shù)不僅減少了功率損耗，還顯著提升了車輛的續(xù)航能力，使其在能效方面成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。
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保時(shí)捷Taycan逆變器：作為首款采用800V系統(tǒng)的量產(chǎn)電動(dòng)車，Taycan在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)上展現(xiàn)了其卓越性能。Taycan Turbo S的前軸裝配了最大電流達(dá)600安培的脈沖控制逆變器，相較于Taycan Turbo的300安培逆變器，能夠輸出更高的功率和扭矩。這兩款脈沖控制逆變器的運(yùn)行效率均接近98%，展現(xiàn)了極高的能效。
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奧迪e-Tron逆變器：奧迪e-Tron采用了“雙極性電池技術(shù)”逆變器，這一創(chuàng)新的電力轉(zhuǎn)換方法使得逆變器能夠高效處理高電壓范圍，實(shí)現(xiàn)最佳功率輸出，同時(shí)最大限度地減少能量損耗。e-Tron的逆變器不僅提升了車輛的續(xù)航能力，也體現(xiàn)了奧迪對(duì)推動(dòng)可持續(xù)移動(dòng)解決方案的堅(jiān)定承諾。
逆變器技術(shù)進(jìn)步：隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，逆變器系統(tǒng)也在不斷經(jīng)歷創(chuàng)新。當(dāng)前的研發(fā)重點(diǎn)在于減輕逆變器重量、提升其工作效率以及改善熱管理性能。從傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體向碳化硅（SiC）半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變正成為行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，得益于SiC材料的卓越電學(xué)特性。基于SiC的逆變器能夠在更高溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，這不僅優(yōu)化了熱性能，也提高了整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的綜合效率。這些技術(shù)的突破和創(chuàng)新，預(yù)示著電動(dòng)汽車未來(lái)的發(fā)展前景將更加光明。
電機(jī)控制器（MCU）是電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的核心組件，其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)涉及多個(gè)關(guān)鍵組件和復(fù)雜的控制邏輯。
以下是電機(jī)控制器的關(guān)鍵組件和功能的一個(gè)全面總結(jié)：
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關(guān)鍵組件：電機(jī)控制器的關(guān)鍵組件包括直流母排、逆變器結(jié)構(gòu)、電磁干擾（EMI）抑制組件（如X電容和Y電容）、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、散熱器、信號(hào)采集硬件、交流輸出銅排、旋變傳感器接口、電流傳感器集成等。這些組件共同確保了電機(jī)控制器的高效運(yùn)作和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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基本原理圖：電機(jī)控制器的基本原理圖展示了其設(shè)計(jì)的基本組成部分，包括電源供應(yīng)部分、傳感電路、電壓源逆變器（VSI）、CAN收發(fā)器和微控制器等。這些部分共同構(gòu)成了電機(jī)控制器的硬件框架。
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矢量控制邏輯框圖：矢量控制邏輯框圖展示了電機(jī)控制器的軟件控制邏輯，涵蓋了直流電輸入管理、逆變器控制、控制電路、信號(hào)采集、矢量控制算法、電平轉(zhuǎn)換、散熱器控制、故障診斷、通信管理、用戶界面交互、自適應(yīng)控制和固件更新等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)共同確保了電機(jī)控制器的高效、精確和可靠的運(yùn)行。
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硬件電路框圖：電機(jī)控制器硬件電路框圖從硬件電路角度展示了電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括信號(hào)采集、控制電路、電平轉(zhuǎn)換、逆變器驅(qū)動(dòng)、環(huán)路構(gòu)成、CAN通訊模塊、低壓接口、電源模塊、電機(jī)與控制器的連接、電流傳感器集成和旋變傳感器等部分。這些硬件電路的協(xié)同工作確保了電機(jī)控制器的穩(wěn)定性和安全性。
通過這些功能和組件的協(xié)同工作，電機(jī)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)的精確控制，同時(shí)確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。這使得電機(jī)控制器成為現(xiàn)代電動(dòng)汽車不可或缺的關(guān)鍵組件，對(duì)于提高電動(dòng)汽車的性能和效率具有重要意義。
參 考：
1-新能源汽車電機(jī)控制器簡(jiǎn)介_嗶哩嗶哩_bilibili
2-新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)控制器基礎(chǔ)及制造 - 汽車電子 - 電子發(fā)燒友網(wǎng) (elecfans.com)
3-DESIGN METHODOLOGY OF MOTOR CONTROL UNIT (MCU) - Sterling Gtake E-Mobility
4-China New Energy Vehicle Power Electronics Industry Report, 2021 - ResearchInChina
5-中國(guó)新能源汽車電機(jī)控制器行業(yè)市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告（2024版） - 知乎 (zhihu.com)
6-2024年電機(jī)控制器行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、競(jìng)爭(zhēng)力、及細(xì)分調(diào)研報(bào)告_數(shù)據(jù)分析_貝哲斯咨詢-貝哲斯咨詢社區(qū) (csdn.net)
7-2022年中國(guó)電機(jī)控制器（電控）行業(yè)現(xiàn)狀、競(jìng)爭(zhēng)格局及趨勢(shì)分析，硅基IGBT向碳化硅MOS迭代「圖」_華經(jīng)情報(bào)網(wǎng)_華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院 (huaon.com)
8-Expert and Professional Manufacturer of Inverter PCB (venture-mfg.com)
9-EV Powertrain Electrification and key components for drivetrain | Wolfspeed
轉(zhuǎn)自汽車電子與軟件
