WBG 多电平逆变器适合 800V 电池电动汽车

机器学习架构的优点

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

如今，800V 电池被用来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 逆变器有一些缺点：即输出电压的总谐波失真 (THD) 高、开关损耗增加、EMI 噪声高以及电机轴上的感应电压（主要用于电力）时出现的轴承电流问题。额定值高于 75 kW）克服了轴承润滑油膜的绝缘能力。这会导致电流流过轴承，从而产生凹槽——滚道上特有的凹槽和磨砂坑，从而损害轴承的负载能力。

这些挑战可以通过机器学习架构来解决。与 2L 逆变器相比， ML逆变器提供额外的输出电压水平和低相电流纹波，具有更好的效率、功率密度、热性能和 EMI 行为。这种改进取决于较低的 THD 和共模电压 (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，在更高的效率和EMI性能方面脱颖而出。

2L和3L逆变器型号

出于比较目的，考虑了三种拓扑：2L 逆变器以及 3L-T 和 3L-NPC 逆变器，如图 1 所示。

图 1（右）中的 3L-NPC 逆变器由三个支路组成，每个支路包含四个串联连接的开关（IGBT 或 SiC MOSFET）。每个开关上施加的电压是传统 2L 逆变器电压的一半。通过串联相等的总线电容器将总线电压分成两半，并且每个支路通过插入两个钳位二极管来完成，这提供了到中性点的连接。 2L 逆变器只能将输出连接到正母线或负母线，而 NPC 逆变器可以在输出上产生三种电压电平：直流母线正电压、直流母线负电压和零电压，以生成更正弦的输出波形，以实现减少谐波失真。考虑单腿操作，当S 1和S 11导通时，输出连接至V DC；当S 11和S 44导通时，输出连接至中点电压V 0 ；当S 44和S 4导通时，输出连接至V n。由于S 11和S 44在一个周期内导通时间较长，因此它们比S 1和S 4承受的损耗更高，但开关损耗更少。

与 NPC 拓扑不同，T 型逆变器没有钳位二极管，从而减少了元件数量。由于采用单个外部开关器件（而不是两个串联器件），它还表现出较低的传导损耗，但同时，与 NPC 逆变器相比，这会导致阻断电压降低。因此，与 3L-NPC 相比，3L-T 逆变器在较低频率下表现更出色。 3L-T双向辅助开关在中性点和负载端之间提供可控路径；通过选择性地打开不同的开关可以获得3L输出。

电动汽车牵引模型

可以使用直流电源、三种逆变器拓扑和电动汽车上常用的永磁同步电机 (PMSM) 来构建数学模型。，PSIM 等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。

可使用数据表使用基本方程来计算导通电阻和损耗：

R on ( T ) = R 0 [1 + K ( T – T init )]; P sw = ( E sw,on + E sw,off ) f ; P条件= I D 2 R上( T )

其中K是 SiC MOSFET 在T时的导通电阻温度系数，T init是初始温度，f是开关频率，ID是漏极电流。总功率损耗包括因开通和关断而产生的开关损耗以及传导损耗。

由于逆变器架构之间存在差异，并且在 800V 总线的情况下，2L 拓扑需要 1,200V SiC MOSFET； 3L-T 电路的主开关需要相同的额定电压，辅助开关需要 650 V 的额定电压。相比之下，3L-NPC 逆变器采用 650V SiC MOSFET 和 650V SiC 二极管构建。

电磁JMAGRT模型是一种基于有限元分析的仿真工具，可用于评估PMSM的铜损和铁损。作者选择的电机功率为 150 kW，额定扭矩为 180 Nm。

效率比较

2L 逆变器中的硅IGBT 和 SiC MOSFET之间的比较表明，基于 SiC 的解决方案具有显着的优势。传导损耗和开关损耗降低了 80%，结温降低了 35%，从而使冷却系统更加简单，并改善了整个系统的重量、尺寸和成本。低扭矩、低速区域的效率提高了近30%，而在额定速度、额定扭矩区域，效率提高了2.8%。更有趣的是正在研究的三个逆变器中涉及 SiC MOSFET 的基准。

在评估效率时，我们可以考虑三种类型的扭矩曲线：逆变器效率、电机效率和整体驱动效率。相关的效率优势出现在低速区域，从 1,000 rpm 到 3,000 rpm。三个逆变器的效率在此范围内表现出的变化，特别是逆变器效率曲线。在20 Nm至150 Nm的扭矩范围内，3L-T在1,000 rpm时表现出更高的效率，比2L高出2.62%。由于高传导损耗，3L-NPC 在三种拓扑中表现出较低的效率，但当扭矩超过 150 Nm 时，它开始显着改善，终在略低于 200 Nm 时超过 3L-T。

无论如何，3L-T 和 3L-NPC 的开关损耗都低于 2L，证明了 ML 在电动汽车应用中的切实好处。此外，三种配置在高速（例如从 7,000 rpm 到 12,000 rpm）时的整体驱??动效率保持相同。这可以通过以下事实来解释：在高扭矩和高速度下，电机效率起着主导作用。顺便说一句，ML 逆变器能够产生谐波含量较低的输出电压，从而在电机中产生更多的正弦形磁通量，从而转化为更高的效率和更平滑的扭矩。逐渐施加旋转力反过来会产生更少的振动和噪音，从而提高整体性能和舒适度。

3L-NPC 在 150 Nm 的扭矩范围内实现了效率改进，表明该拓扑结构非常适合在高功率转换器中运行。

2L 与 ML CMEMI 行为

CMEMI 也称为共模噪声，当相对于公共参考地的两个导体上有不需要的电流流动时，就会出现 CMEMI（图 2）。这些电流具有相同的幅度和相位，但沿互连传输的信号可能不相同。 CMEMI 可能由多种来源产生，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。

共模电磁干扰。

图 2：CMEMI（来源：村田制作所2）

与 2L 逆变器相比，ML 逆变器有助于降低 CMEMI 噪声，因为 CMV（电源地线与三相负载中性点之间的电压）水平大幅降低，从而延长了轴承和电机绕组的使用寿命。在评估 CMEMI 性能时，可以构建之前看到的相同模型，其中逆变器和接地之间的寄生电容设置为 600 pF，电机和外壳之间的寄生电容设置为 2 ?F。可以通过施加两个开关频率来进行比较：20 kHz 和 50 kHz。

结果证实，高开关频率会增加 2L 和 3L-T 逆变器的 CMEMI 噪声幅度，遵循相同的趋势。另外值得注意的是，在相同频谱下，2L 逆变器中的 50 kHz 开关频率意味着比以 20 kHz 运行的 3L-T 逆变器噪声幅度高出 30 dBμV。实验还证明，基于SiC的3L-T逆变器在50kHz时的CMEMl噪声比20kHz时的2L低15至50dBμV。