乐园活动 浮想特 | WBG多级逆变器知足800V电板电动汽车的需求

对电板电动汽车(EV)的日益关心加快了宽禁带(WBG)半导体(如碳化硅SiC)的诈欺，以提高成果并收尾更长的续航里程。由于电动汽车的主要构成部分是牵引逆变器，贪图新式电力疗养器架构的发奋不停加多。除了成果外，全球形状电磁骚动(CMEMI)亦然电动汽车逆变器的穷困参数。

本文先容了由密歇根州立大学的共同作家发布的一篇论文对秉承基于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)进行了深刻贪图，并与传统的两电平(2L)逆变器进行了比较。

多级架构的上风

3L逆变器不错在高功率水平下运行，同期具有较低的谐波失真和较低的开关电压应力，使其成为电动汽车诈欺的强有劲竞争者。

当今，800V电板被诈欺于提高交流电机驱动的成果并镌汰电板充电时刻。电动汽车牵引系统中的2L逆变器存在一些裂缝：举例，输出电压的总谐波失真(THD)较高，开关损耗加多，电磁骚动噪声高，以及当电机轴上感应电压(主要针对功率额定值卓绝75kW的情况)卓绝轴承润滑膜的绝缘智力时，导致的轴承电流问题。这会导致通过轴承的电流，激勉“槽形”颓势——在滚谈上变成特征性的凹槽和霜状坑洼，从而影响轴承的承载智力。

这些挑战不错通过多级架构来惩处。与2L逆变器比拟，ML逆变器提供了特别的输出电压级别和较低的相电流波动，同期在成果、功率密度、热性能和电磁骚动性能方面阐扬更好。这种改造依赖于较低的谐波失真和全球形状电压(CMV)水平。此外，基于WBG的ML拓扑，额外是3L-T逆变器和3L-NPC逆变器，在成果和电磁骚动性能方面阐扬杰出。

2L与3L逆变器模子

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

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图1

图1右侧的3L-NPC逆变器由三个支腿构成，每个支腿包含四个串联一语气的开关(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。通过将额外的母线电容器串联，母线电压被分红两半，每个支腿通过插入两个钳位二极管来完成一语气中性点。

与只可将输出一语气到正母线或负母线的2L逆变器不同，NPC逆变器不错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，从而生成更变弦波形的输出波形以斥责谐波失真。琢磨到一个支腿的操作，当S1和S11导通时，输出一语气到VDC;当S11和S44导通时，输出一语气到V0(中点电压);当S44和S4导通时，输出一语气到Vn。由于S11和S44在一个周期内导通的时刻更长，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型逆变器莫得钳位二极管，从而减少了组件数目。由于秉承单个外部开关安装，而非串联的两个安装，它还阐扬出较低的导通损耗，但同期，这也导致与NPC逆变器比拟的阻断电压斥责。因此，3L-T逆变器在较低频率下阐扬优于3L-NPC。3L-T双向扶植开关在中性点和负载端子之间提供可控旅途;不错通过聘请性开启不同开关来得到3L输出。

电动汽车牵引模子

不错使用一个直流电源、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)成立数学模子。终末，不错使用如PSIM这么的特定用具生成所需的输出。Altair的PSIM是一款功能渊博的软件，广泛用于电机驱动仿真和想象。

基本方程不错用于凭据数据表计算导通电阻和损耗：

其中K为SiC MOSFET在温度T下的导通电阻温度扫数，Tinit为运行温度，f为开关频率，ID为走电流。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。

由于逆变器架构的互异，针对800V母线，2L拓扑需要1200V SiC MOSFET;3L-T电路的主开关需要相易电压品级，而扶植开关则需要650V。比拟之下，3L-NPC逆变器则秉承650V SiC MOSFET和650V SiC二极管。

电磁JMAG-RT模子是一种基于有限元分析的仿真用具，不错用来评估PMSM的铜损和铁损。作家为150kW功率和180Nm额定扭矩聘请了该电机。

成果比较

在2L逆变器中，对硅IGBT和SiC MOSFET的比较涌现出SiC惩处决议的权臣上风。导通损耗和开关损耗斥责了80%，结温斥责了35%，这使得冷却系统更绵薄，合座系统的分量、体积和资本均有所斥责。在低扭矩、低速区域，成果提高了近30%;而在额定速率和额定扭矩区域，成果提高了2.8%。更真理的是，在贪图的三种逆变器中触及SiC MOSFET的基准测试。

在评估成果时，咱们不错琢磨与扭矩有关的三种弧线：逆变器成果、电机成果和合座驱动成果。在低速区域(从1000 rpm到3000 rpm)，成果的有关平允最为理会。在这一范畴内，三种逆变器的成果变化最大，尤其是逆变器成果弧线。在20Nm到150Nm的扭矩范畴内，3L-T在1000 rpm时涌现出比2L卓绝2.62%的成果。3L-NPC在三种拓扑中成果最低，主若是由于较高的导通损耗，但当扭矩卓绝150Nm时，其成果权臣改善，最终在接近200Nm时超越3L-T。

不管何如，3L-T和3L-NPC的开关损耗均低于2L，阐述了多级逆变器在电动汽车诈欺中的权臣上风。此外，在高速(举例7000 rpm到12000 rpm)下，三种建立的合座驱动成果保抓一致。这不错通过在高扭矩和高速下电机成果占主导地位来解释。趁便提一下，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变弦波形的磁通，这转机为更好的成果和更平滑的扭矩。逐步施加的旋转力则可减少振动和杂音，从而增强合座性能和舒心肠。

终末，在卓绝150Nm的扭矩范畴内，3L-NPC所取得的最高成果进步标明该拓扑相配妥当用于高功率疗养器。

2L与多级逆变器的CMEMI行动

CMEMI(共同形状电磁骚动)，也称为共同形状噪声，阐扬为在两个导体上联系于共同参考地流动的非梦想电流(图2)。这些电流具有相易的幅度和相位，尽管沿着互连传输的信号可能不王人备相易。CMEMI可动力于多样身分，但基本机制是明确的：它时时是由通过杂散电容闪现的噪声电流引起的。

图2

与2L逆变器比拟，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)水平权臣斥责，从而蔓延了轴承和电机绕组的使用寿命。在评估CMEMI性能时，不错构建与之前相易的模子，将逆变器与接地之间的寄生电容耕种为600 pF，与电机和外壳之间的电容耕种为2 µF。不错通过施加两个开关频率(20 kHz和50 kHz)来进行比较。

限度阐述，高开关频率会加多2L和3L-T逆变器的CMEMI噪声幅度，且二者呈现相易的趋势。值得精细的是，2L逆变器在50 kHz的开关频率下，其噪声幅度比在相易频率谱下运行20 kHz的3L-T逆变器卓绝30 dBµV。实践还阐述，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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