对电池电动汽车(EV)的日益关注加速了宽禁带(WBG)半导体(如碳化硅SiC)的应用，以提高效率并实现更长的续航里程。由于电动汽车的主要组成部分是牵引逆变器，研究新型电力转换器架构的努力不断增加。除了效率外，公共模式电磁干扰(CMEMI)也是电动汽车逆变器的重要参数。

本文介绍了由密歇根州立大学的共同作者发布的一篇论文对采用基于SiC的多级(ML)逆变器拓扑(如三电平T型(3L-T)逆变器和三电平中性点钳位(3L-NPC)逆变器)进行了深入研究，并与传统的两电平(2L)逆变器进行了比较。

多级架构的优势

3L逆变器可以在高功率水平下运行，同时具有较低的谐波失真和较低的开关电压应力，使其成为电动汽车应用的强有力竞争者。

目前，800V电池被应用于提高交流电机驱动的效率并缩短电池充电时间。电动汽车牵引系统中的2L逆变器存在一些缺点：例如，输出电压的总谐波失真(THD)较高，开关损耗增加，电磁干扰噪声高，以及当电机轴上感应电压(主要针对功率额定值超过75kW的情况)超过轴承润滑膜的绝缘能力时，导致的轴承电流问题。这会导致通过轴承的电流，引发“槽形”缺陷——在滚道上形成特征性的凹槽和霜状坑洼，从而影响轴承的承载能力。

这些挑战可以通过多级架构来解决。与2L逆变器相比，ML逆变器提供了额外的输出电压级别和较低的相电流波动，同时在效率、功率密度、热性能和电磁干扰性能方面表现更好。这种改进依赖于较低的谐波失真和公共模式电压(CMV)水平。此外，基于WBG的ML拓扑，特别是3L-T逆变器和3L-NPC逆变器，在效率和电磁干扰性能方面表现突出。

2L与3L逆变器模型

为了进行比较，本文考虑了三种拓扑：2L逆变器、3L-T逆变器和3L-NPC逆变器，如图1所示。

图1

图1右侧的3L-NPC逆变器由三个支腿组成，每个支腿包含四个串联连接的开关(IGBT或SiC MOSFET)。施加在每个开关上的电压是传统2L逆变器电压的一半。通过将相等的母线电容器串联，母线电压被分成两半，每个支腿通过插入两个钳位二极管来完成连接中性点。

与只能将输出连接到正母线或负母线的2L逆变器不同，NPC逆变器可以在输出端产生三个电压级别：直流母线正电压、直流母线负电压和零电压，从而生成更正弦波形的输出波形以降低谐波失真。考虑到一个支腿的操作，当S1和S11导通时，输出连接到VDC;当S11和S44导通时，输出连接到V0(中点电压);当S44和S4导通时，输出连接到Vn。由于S11和S44在一个周期内导通的时间更长，因此它们承受的导通损耗高于S1和S4，但开关损耗较少。

与NPC拓扑不同，T型逆变器没有钳位二极管，从而减少了组件数量。由于采用单个外部开关装置，而非串联的两个装置，它还表现出较低的导通损耗，但同时，这也导致与NPC逆变器相比的阻断电压降低。因此，3L-T逆变器在较低频率下表现优于3L-NPC。3L-T双向辅助开关在中性点和负载端子之间提供可控路径;可以通过选择性开启不同开关来获得3L输出。

电动汽车牵引模型

可以使用一个直流电源、三种逆变器拓扑以及一种常用于电动汽车的永磁同步电机(PMSM)建立数学模型。最后，可以使用如PSIM这样的特定工具生成所需的输出。Altair的PSIM是一款功能强大的软件，广泛用于电机驱动仿真和设计。

基本方程可以用于根据数据表计算导通电阻和损耗：

其中K为SiC MOSFET在温度T下的导通电阻温度系数，Tinit为初始温度，f为开关频率，ID为漏电流。总功率损耗包括由于开关开启和关闭产生的开关损耗和导通损耗。

由于逆变器架构的差异，针对800V母线，2L拓扑需要1200V SiC MOSFET;3L-T电路的主开关需要相同电压等级，而辅助开关则需要650V。相比之下，3L-NPC逆变器则采用650V SiC MOSFET和650V SiC二极管。

电磁JMAG-RT模型是一种基于有限元分析的仿真工具，可以用来评估PMSM的铜损和铁损。作者为150kW功率和180Nm额定扭矩选择了该电机。

效率比较

在2L逆变器中，对硅IGBT和SiC MOSFET的比较显示出SiC解决方案的显著优势。导通损耗和开关损耗降低了80%，结温降低了35%，这使得冷却系统更简单，整体系统的重量、体积和成本均有所降低。在低扭矩、低速区域，效率提高了近30%;而在额定速度和额定扭矩区域，效率提高了2.8%。更有趣的是，在研究的三种逆变器中涉及SiC MOSFET的基准测试。

在评估效率时，我们可以考虑与扭矩相关的三种曲线：逆变器效率、电机效率和整体驱动效率。在低速区域(从1000 rpm到3000 rpm)，效率的相关好处最为明显。在这一范围内，三种逆变器的效率变化最大，尤其是逆变器效率曲线。在20Nm到150Nm的扭矩范围内，3L-T在1000 rpm时显示出比2L高出2.62%的效率。3L-NPC在三种拓扑中效率最低，主要是由于较高的导通损耗，但当扭矩超过150Nm时，其效率显著改善，最终在接近200Nm时超越3L-T。

无论如何，3L-T和3L-NPC的开关损耗均低于2L，证明了多级逆变器在电动汽车应用中的显著优势。此外，在高速(例如7000 rpm到12000 rpm)下，三种配置的整体驱动效率保持一致。这可以通过在高扭矩和高速下电机效率占主导地位来解释。顺便提一下，多级逆变器产生具有较低谐波含量的输出电压，从而在电机中产生更正弦波形的磁通，这转化为更好的效率和更平滑的扭矩。逐渐施加的旋转力则可减少振动和噪音，从而增强整体性能和舒适性。

最后，在超过150Nm的扭矩范围内，3L-NPC所取得的最高效率提升表明该拓扑非常适合用于高功率转换器。

2L与多级逆变器的CMEMI行为

CMEMI(共同模式电磁干扰)，也称为共同模式噪声，表现为在两个导体上相对于共同参考地流动的非理想电流(图2)。这些电流具有相同的幅度和相位，尽管沿着互连传输的信号可能不完全相同。CMEMI可能源于各种因素，但基本机制是明确的：它通常是由通过杂散电容泄漏的噪声电流引起的。

图2

与2L逆变器相比，多级逆变器有助于减少CMEMI噪声，因为CMV(电源接地与三相负载中性点之间的电压)水平显著降低，从而延长了轴承和电机绕组的使用寿命。在评估CMEMI性能时，可以构建与之前相同的模型，将逆变器与接地之间的寄生电容设置为600 pF，与电机和外壳之间的电容设置为2 µF。可以通过施加两个开关频率(20 kHz和50 kHz)来进行比较。

结果确认，高开关频率会增加2L和3L-T逆变器的CMEMI噪声幅度，且二者呈现相同的趋势。值得注意的是，2L逆变器在50 kHz的开关频率下，其噪声幅度比在相同频率谱下运行20 kHz的3L-T逆变器高出30 dBµV。实验还证明，基于SiC的3L-T逆变器在50 kHz下的CMEMI噪声比在20 kHz下的2L噪声低15到50 dBµV。

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