用于汽车应用的创新三级逆变器解决方案

[导读]由于需要遵守严格的排放法规并提高整体车辆效率的需要，汽车行业正迅速朝着渐进的电气化发展。在这一转变中，三级逆变器已成为电力和混合推进系统中的重要组成部分。这些逆变器具有比传统两级设计的优势，包括较低的谐波失真，减少开关损耗和更高的系统效率。

由于需要遵守严格的排放法规并提高整体车辆效率的需要，汽车行业正迅速朝着渐进的电气化发展。在这一转变中，三级逆变器已成为电力和混合推进系统中的重要组成部分。这些逆变器具有比传统两级设计的优势，包括较低的谐波失真，减少开关损耗和更高的系统效率。

尽管三级逆变器有助于电动车动力传动系统的许多好处，但它们也引入了与系统成本和复杂性有关的挑战。因此，要利用两级和三级拓扑优势的平衡方法至关重要。本文将重点介绍这种混合方法所提供的好处，该方法体现在单个功率模块(EMPACK)中，能够在管理成本和复杂性的同时提高效率。

随着汽车推进系统的发展，以满足对效率，环境保护和遵守监管标准的日益增长的需求，电动传动系统已成为创新的焦点。用于乘用车，商用车或卡车的电动传动系统必须提高能源效率，以最大程度地利用电池，扩展驾驶范围并提高电池寿命。此外，实现更快的充电时间和提高功率分配是现代电动传动系统的关键考虑因素。这些系统有望在恶劣的环境条件下有效运行。因此，逆变器，电动传动系统的核心成分，必须相应地适应。

逆变器在电动传动系统中起着关键作用，多年来从硅碳化物碳化物电源半导体演变而来。 SIC MOSFET设备专门显示出卓越的性能，与传统IGBT相比，静态损失减少和切换损失。这使得能够提高效率和功率密度，并改善电动机控制并减少能量损失，从而使基于SIC的逆变器成为高级电动汽车和混合动力汽车的首选选择。

电动机的效率

三级逆变器由于能够进一步提高运动效率并扩大车辆范围而在汽车应用中越来越流行。由三级切换拓扑产生的较低谐波失真会减少电动机中的铁损耗，这是传动系统效率的关键因素。

电动传动系统中的大多数损失源于各种因素，例如机械，铜和铁核损失，总谐波失真(THD)对总体能量浪费产生了显着贡献。

磁滞损失

磁滞损失是由铁芯的重复磁化和反复消反应引起的，因为电流流过电动机绕组。该过程以热的形式导致能量耗散。磁滞损失与电流的频率和最大通量密度成正比，并且减轻它是提高运动效率的关键。

涡流损失

由于磁场的变化，在铁芯内诱导了涡流。这些电流会导致电阻加热，从而进一步降低电动机的效率。用绝缘材料层压铁芯有助于最大程度地减少这些损失，从而使其成为改善运动性能的必要步骤。

thd

THD主要是由于谐波的存在，测量波形与其理想正弦形状的偏差。在电动机中，THD会导致损失增加，效率下降和电磁干扰。为了减轻THD，使用开关频率和调制指数的优化，使用了高级控制策略，例如预测控制或空间矢量脉冲宽度调制。

减少THD是三级逆变器的关键优势之一，因为它们可以限制谐波畸变，从而提高电动传动系统的整体效率。

Empack三级电源模块的设计

Semikron-Danfoss已开发了专门用于汽车应用的Empack Power模块，并结合了先进的三级逆变器技术。这个最先进的模块提供了两种变体：传统的两级拓扑结构和现代的三级拓扑结构，都共享相同的物理形状。

与两级设计中的两个开关相比，三级拓扑(TNPC)称为T型中性点(TNPC)，每半桥采用四个开关。这种配置允许减少开关损耗和提高功率效率。 TNPC比NPC的关键好处是，它不需要其他二极管，因此可以释放空间以在同一模块中掺入更多的半导体芯片。在此拓扑中使用SIC MOSFET可确保更高的效率和可靠性。

Empack模块还结合了创新的包装技术，例如Flex Foil Technology(图1)，该技术取代了传统的电线键合方法。挠曲线可以更好地路由电流，并增强模块的机械和热耐用性。此外，在热堆栈中使用直接压力的DIE(DPD)技术可减少热界面材料的厚度，从而提高热效率。