何涛　曾孟军　王信锐　朱万炫　刘红江

摘 要：DC/AC变换电路作为新能源汽车上的核心电路之一，在实车上，由于集成度高、高电压等特性，非常不利于初学者进行学习。本文中设计的DC/AC变换电路教学模型，学生不仅能直观认识其主电路和控制电路的结构，而且还能通过预留的接线端子进行电路再次搭建和测量其关键信号线上的电路参数，进而快速掌握DC/AC变换电路的基本结构和工作原理，为后续实车故障诊断打下较好的基础。

关键词：单片机 DC/AC电路 驱动电路 新能源汽车

1 引言

随着化石燃料的不断枯竭，新能源汽车的应用越来越广泛[1]，截止2022年底，我国新能源汽车保有量达到1310万辆，这么庞大数量新能源汽车的应用，需要大量技术服务人员，特别是售后服务技术人员，大都来自于职业教育，所以，职业教育的水平状况，在一定层度上决定着新能源汽车后市场的服务能力。电机、电池、电控作为新能源汽车的三大核心[2]，不同品牌、不同年份的新能源汽车在装配结构上有一定的差异，但基本的功能模块大致相当，新能源汽车电控系统由于集成度高，学生在学习过程中几乎只能看到其外观，不能直观看清内部结构，更不能快速理解其工作原理。

2 DC/AC变换电路教学介绍

新能源汽车电控系统，无论什么样的装配形式，其主要的模块包括车载充电机（OBC）、高压配电盒、DC/DC和电机控制器[3][4]，电机控制器内部重要的电路模块就是DC/AC逆变电路，因为目前新能源汽车主要的能量存储装置是动力电池，动力电池能量的存储和释放都是以直流电的方式体现的，但进行能量转换装置的驱动电机几乎都是交流电机，这就需要DC/AC变换电路把直流电转换成交流电给驱动电机供电。DC/AC变换电路内容的教学如果全在实车上进行，有以下几方面的缺点：一是没有生产企业提供的核心零部件设计资料，即使拆卸掉电控系统的外壳，也很难分清楚内部电路板上的每一个电路元器件，导致对整个工作电路结构不能直观认识；二是新能源汽车的实车电路具有高压特性，学生和教师的安全得不到绝对保证；三是实车上几乎都没有预留测量点，导致不能用万用表、示波器等工具对其电路参数进行测量，进而就不更好的对其原理进行理解。

如图1所示，现阶段DC/AC变换电路教学几乎都是以该图为中心，首先介绍三相桥式逆变电路的电路元器件主要包括V1、V2、V3、V4、V5、V66个三端器件IGBT和VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD66个功率二极管，然后以180°导电方式或120°导电方式给6个IGBT的栅极提供控制信号，一定规律的控制信号就会让6个IGBT按照一定的规律导通，最后在三相负载端经过简单的滤波就可以得到三相交流电源。虽然教师可以借助多媒体动画等方式尽可能比较直观展示其结构和工作原理，但学生毕竟不能亲眼看清楚实物结构和用万用表等工具测量关键的电路参数，最终很难真正理解DC/AC的变换过程，进而达不到学习的目的。

3 教学模型设计思路

如图1所示，在平常的教学中，对于三端器件IGBT栅极端的驱动信号，一般都是假设有驱动信号的存在，本DC/AC教学模型的驱动信号由单片机电路产生，且预留单片机引脚接线端子以便接线和测量控制信号。对于主逆变电路，V2、V4和V6的栅极控制信号相对比较容易理解，但V1、V3和V5的控制信号，如果简单用单片机输出引脚去控制V1、V3和V5的栅极，肯定是行不通的，所以本DC/AC教学模型上就设计了隔离驱动电路，而且预留接线端子，学生可以直观看清楚驱动电路的电路结构，且能对其相应信号进行测量。对于桥式逆变主电路，实车应用都是出于高电压状态，本教学模型为了保证师生的绝对安全，在保证控制规律一致的情况下，把电压降到安全电压以下，既保证了师生的安全，又能够直观认识主电路结构和测量相应的电信号，总体设计思路如图2所示。

4 教学模型结构

4.1 单片机控制电路

单片机控制电路如图3所示，用于产生DC/AC变换的控制信号，单片机选用师生比较熟悉的51单片机STC89C516RD+，用单片机的P2.0-P2.5六只引脚作为输出信号引脚，从图4所示的PCB板可知，U+Lin、U+Hin、V+Lin、V+Hin、W+Lin、W+Hin作为预留接线端子，学生可通过这些预留端子测量相应的电信号。

4.2 隔離驱动电路

隔离驱动电路如图5所示，主要用于解决桥式逆变电路上桥臂IGBT控制信号的参考电位，驱动电路的核心芯片选择EG3012，EG3012是一款高性价比的大功率MOS管、IGBT管栅极驱动专用芯片[5]，如图6所示U-Lin、U-Hin、V-Lin、V-Hin、W-Lin、W-Hin、HO1+、VS1+、LO1+、HO2+、VS2+、LO2+、HO3+、VS3+、LO3+作为预留接线端子，其中U-Lin、U-Hin、V-Lin、V-Hin、W-Lin、W-Hin分别用于连接单片机控制电路的U+Lin、U+Hin、V+Lin、V+Hin、W+Lin、W+Hin。

4.3 桥式逆变主电路

如图7所示，桥式逆变电路的核心是6个IGBT，HO1-、VS1-、LO1-、HO2-、VS2-、LO2-、HO3-、VS3-、LO3-为桥式逆变电路的9个预留端子，在实训练习时，分别和HO1+、VS1+、LO1+、HO2+、VS2+、LO2+、HO3+、VS3+、LO3+相连，既让学生熟悉了电路结构，又方便使用万用表、示波器等工具对其主要的电学参数进行测量，进而深入掌握其工作原理，对应的PCB班如图8所示。

5 结语

本文中设计的DC/AC变换电路教学模型主要包括单片机控制电路、隔离驱动电路和桥式逆变主电路三个部分，单片机控制电路用于产生逆变主电路中IGBT的控制信号，隔离驱动电路用于隔离主电路中上桥臂IGBT的接地，桥式逆变主电路用于把直流电逆变为交流电。通过该电路模型，学生既能直观看清楚电路结构，又能通过预留的接线端子搭建电路加深对电路结构的认识，还能通过接线端子的金属裸露处，利用万用表、示波器测量相应电信号，进而快速理解DC/AC变换电路的结构及工作原理。

基金项目：2022年度院级课题《一种新能源汽车DC/AC变换电路教学模型设计》（编号：2022-ZZJK-01）。

参考文献：

[1] 洪吉超，梁峰伟，杨京松等.新能源汽车产业及其技术发展现状与展望[J].科技导报，2023，41（05）：49-59.

[2] 范铁军.“新基建”背景下我国钢铁行业发展的新机遇[J].中国发展观察，2023（02）：80-84.

[3] 李福生.车载小三电技术的现状与发展趋势[J].上海电气技术，2022，15（03）：80-86.

[4] 耿琦.某纯电动车高压关键零部件布置方案研究[J].机械制造与自动化，2021，50（02）：197-199.

[5] 古毅.大数据下的微电网模拟系统的安全性探究[J].卫星电视与宽带多媒体，2019（20）：31-32.