三電平逆變器已成為電動(dòng)和混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分。這些逆變器比傳統(tǒng)的兩級(jí)設(shè)計(jì)更具優(yōu)勢(shì)，包括更低的諧波失真、更低的開關(guān)損耗和更高的系統(tǒng)效率。雖然三電平逆變器為電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)帶來了諸多好處，但它們也帶來了與系統(tǒng)成本和復(fù)雜性相關(guān)的挑戰(zhàn)。

　　汽車應(yīng)用的三電平逆變器方案

　　因此，利用兩級(jí)和三級(jí)拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)的平衡方法至關(guān)重要。將重點(diǎn)介紹這種混合方法帶來的好處，體現(xiàn)在單個(gè)電源模塊(eMPack)中，能夠在提高效率的同時(shí)控制成本和復(fù)雜性。

　　隨著汽車推進(jìn)系統(tǒng)不斷發(fā)展，以滿足對(duì)效率、環(huán)境保護(hù)和符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的日益增長的需求，電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)已成為創(chuàng)新的焦點(diǎn)。乘用車、商用車或卡車的電力傳動(dòng)系統(tǒng)必須提高能效，以最大限度地利用電池，延長行駛里程和電池壽命。

　　此外，實(shí)現(xiàn)更快的充電時(shí)間和改善配電是現(xiàn)代電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵考慮因素。這些系統(tǒng)有望在惡劣的環(huán)境條件下高效運(yùn)行。因此，電力傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件逆變器必須做出相應(yīng)的調(diào)整。

　　逆變器在電力傳動(dòng)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，多年來從硅發(fā)展到碳化硅功率半導(dǎo)體。SiC MOSFET器件尤其表現(xiàn)出卓越的性能，與傳統(tǒng)IGBTs相比，靜態(tài)和開關(guān)損耗更低。這實(shí)現(xiàn)了更高的效率和功率密度，以及改進(jìn)的電機(jī)控制和降低的能量損耗，使基于SiC的逆變器成為高端電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的首選。

　　電動(dòng)機(jī)的效率

　　三電平逆變器在汽車應(yīng)用中越來越受歡迎，因?yàn)樗鼈兡軌蜻M(jìn)一步提高電機(jī)效率并擴(kuò)大車輛行駛里程。三電平開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較低諧波失真減少了電機(jī)中的鐵損，這是傳動(dòng)系統(tǒng)效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的大多數(shù)損耗來自各種因素，如機(jī)械損耗、銅芯損耗和鐵芯損耗，總諧波失真(THD)對(duì)總能量浪費(fèi)有很大影響。

　　滯后損失

　　磁滯損耗是由交流電流經(jīng)電機(jī)繞組時(shí)鐵芯的反復(fù)磁化和退磁引起的。這個(gè)過程導(dǎo)致能量以熱的形式耗散。磁滯損耗與電流的頻率和最大磁通密度成正比，減輕磁滯損耗是提高電機(jī)效率的關(guān)鍵。

　　渦流損耗

　　由于變化的磁場(chǎng)，在鐵芯內(nèi)感應(yīng)出渦流。這些電流導(dǎo)致電阻發(fā)熱，進(jìn)一步降低了電機(jī)的效率。用絕緣材料層壓鐵芯有助于最小化這些損耗，使其成為提高電機(jī)性能的必要步驟。

　　帶螺紋的(threaded的簡寫)THD衡量波形與其理想正弦形狀的偏差，主要是由于諧波的存在。在電動(dòng)機(jī)中，THD會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加、效率降低和電磁干擾。為了降低THD，使用了預(yù)測(cè)控制或空間矢量脈寬調(diào)制等先進(jìn)控制策略，同時(shí)優(yōu)化了開關(guān)頻率和調(diào)制指數(shù)。降低THD是三電平逆變器的主要優(yōu)勢(shì)之一，因?yàn)樗鼈兛梢韵拗浦C波失真，從而提高電力傳動(dòng)系統(tǒng)的整體效率。

　　eMPack三電平功率模塊的設(shè)計(jì)

　　專門為汽車應(yīng)用開發(fā)了eMPack功率模塊，采用了先進(jìn)的三電平逆變器技術(shù)。這種先進(jìn)的模塊提供兩種變體:傳統(tǒng)的兩級(jí)拓?fù)浜同F(xiàn)代的三級(jí)拓?fù)洌瑑烧吖蚕硐嗤奈锢硗庑?。三電平拓?fù)浞Q為T型中性點(diǎn)箝位(TNPC)，每個(gè)半橋使用四個(gè)開關(guān)，而兩電平設(shè)計(jì)中只有兩個(gè)開關(guān)。

　　這種配置允許降低開關(guān)損耗和提高功率效率。與NPC相比，TNPC的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是它不需要額外的二極管，因此可以騰出空間在同一個(gè)模塊中集成更多的半導(dǎo)體芯片。的使用碳化硅MOSFETs這種拓?fù)浯_保了更高的效率和可靠性。

　　eMPack模塊還采用了創(chuàng)新的封裝技術(shù)，如flex-foil技術(shù)(圖1)，取代了傳統(tǒng)的引線鍵合方法。柔性箔能夠更好地傳送電流，并增強(qiáng)模塊的機(jī)械和熱耐久性。此外，在熱堆疊中使用直接壓制芯片(DPD)技術(shù)減少了熱界面材料的厚度，從而提高了熱效率。

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