- 關于多電平逆變器技術方案的深度解讀
- 文字原創(chuàng)，素材來源：BW、hofer、TDK、Semikron- 本篇為知識星球節(jié)選，完整版報告與解讀在知識星球發(fā)布- 2020-2025，1500+國內外動力系統(tǒng)峰會報告與解析正在進行

導語：在電動汽車蓬勃發(fā)展的當下，逆變器作為關鍵部件，其性能對車輛成本和效率影響重大。傳統(tǒng)兩電平逆變器在效率提升和成本優(yōu)化上存在局限，為此展開多電平逆變器研發(fā)。多電平逆變器，我們在《hofer 最新電驅動系統(tǒng)"組合拳"-5招》系列文章中已談及過這個話題，今天，我們來看看博格華納的多電平逆變器（Multi-Level Traction Inverter - MLI）解決方案，繼續(xù)深度探討下這一技術及其背后的思考。
從設計目標與概念出發(fā)，深入探究3L 概念、2L/3L 混合概念背后的考量，詳細闡述硬件設計、控制算法、功率模塊拓撲、直流母線電容以及中性點平衡控制等關鍵環(huán)節(jié)。借助數字孿生平臺，對比不同集成驅動模塊概念的損耗與效率。通過本文搞明白下面幾個關鍵問題：

為什么需要多電平逆變器？

博格華納多電平逆變器設計目標與概念是什么？為何選擇 T 型拓撲結構？

3L 概念、2L/3L 混合概念背后思考及硬件設計與控制算法重點？

功率模塊拓撲、直流母線電容、中性點平衡控制如何設計？

不同集成驅動模塊概念在電動汽車中的損耗與效率對比？

目錄

1. 為什么需要多電平逆變器？

2. 設計目標與概念是什么？

3. 背后的思考：3L概念、2L/3L混合概念

3.1 全三電平拓撲概念

3.2 2L/3L混合概念

4. 多電平逆變器的設計：硬件設計與控制算法(知識星球發(fā)布)

5. 功率模塊拓撲的設計詳解(知識星球發(fā)布)

5.1 功率模塊低電感設計與拓撲布局

5.2 2L/3L混合逆變器、全3L逆變器 · 對比

6. 直流母線電容的設計詳解(知識星球發(fā)布)

6.1 博格華納的創(chuàng)新解決方案：平面低電感電容器

6.2 三母線排系統(tǒng)：賦予設計高度靈活性

6.3 創(chuàng)新的布局與互連：優(yōu)化電感提升能效

7. 不一樣的中性點平衡控制的秘密(知識星球發(fā)布)

7.1 中性點電壓控制的必要性與技術路徑抉擇

7.2 三電平拓撲下的先進控制算法揭秘

7.3 模式切換與專利設計的協(xié)同價值

8. 組件和車輛系統(tǒng)分析(知識星球發(fā)布)

8.1 評估的兩種集成驅動模塊概念

8.2 損耗對比與效率提升分析

9. 總結

|SysPro備注：本篇節(jié)選，相關技術資料在知識星球中發(fā)布(點擊"閱讀原文")

01為什么需要多電平逆變器？

在過去十年中，逆變器技術取得了顯著進步。從800V設計到碳化硅晶體管的應用，再到可變開關策略、先進的熱管理以及創(chuàng)新的控制和安全架構，逆變器以極高的效率運行，為車輛整體效率的提升做出了重要貢獻。

傳統(tǒng)的兩電平電壓源逆變器（VSI）雖然成熟，但在效率提升和成本優(yōu)化方面存在局限。與此同時，電動汽車經過近10年的發(fā)展，已進入產品生命周期的增長階段，成本和效率問題愈發(fā)受到重視。設計出能滿足純電動汽車成本和效率需求的車輛系統(tǒng)級解決方案，成為行業(yè)的重要課題。

圖片來源：網絡

為此，我們需要深入研究車輛層面的成本驅動因素和效率影響因素。以此切入，找到提升動力系統(tǒng)效率的關鍵，以幫助OEM減小電池組尺寸（降低成本）、提高續(xù)航里程。這里面的"關鍵"就是：逆變器和電機組件的協(xié)同優(yōu)化。為此，提出了多電平逆變器（Multi-Level Traction Inverter - MLI）解決方案。

02

設計目標與概念是什么？

博格華納的多級逆變器技術研發(fā)，基于專為輕型車輛市場設計的高可擴展性iDM 180-HF平臺。在研發(fā)過程中，博格華納考慮了純電動汽車的load profile，以及特定的峰值和持續(xù)運行工作點，最終選擇了T型拓撲結構的多級逆變器。

圖片來源：BW

那么，為什么要選擇T型拓撲結構呢？主要考慮下面幾點因素：

成本效益：與有源中性點鉗位（ANPC）拓撲結構相比，T型拓撲結構所需的功率開關數量更少，有助于實現(xiàn)具有成本效益的多級逆變器產品設計。

運行模式靈活：T型拓撲結構能根據扭矩和速度靈活選擇iDM系統(tǒng)的兩電平和三電平運行模式。

容錯能力強：與傳統(tǒng)的兩級VSI產品相比，T型拓撲結構具有更高的容錯能力，這得益于其更多的開關數量。

總體而言，T型拓撲結構為逆變器設計在成本和效率之間進行權衡提供了可能，同時也能靈活選擇適合集成驅動系統(tǒng)運行范圍內不同區(qū)域的半導體技術。圖片來源：BW

03

背后的思考：3L概念、2L/3L混合概念

確定了技術路線，下面我們看看3L概念和2L/3L混合概念背后的思考。

在全3L拓撲概念中，T橋臂和V橋臂的功率開關尺寸設計都能支持在整個車輛運行范圍內的運行。在三電平運行區(qū)域，多級逆變器為永磁電機提供了經過優(yōu)化的、諧波含量更低的電流波形，也就是“潔凈波技術”，英文名是Clean Wave Technology，從而減少電機損耗，提高集成驅動模塊的整體效率。

圖片來源：BW

而在2L/3L混合概念中，T橋臂功率開關的尺寸設計僅支持輕型純電動汽車大部分運行時間所處的車輛運行范圍部分。這種方法的好處是：能以較低的成本獲得大部分潛在的效率提升。此外，由于V橋臂功率開關很少需要應對車輛運行的峰值電流點，因此在選擇其半導體技術時也可以更注重成本效益（可以選便宜的方案）。

綜合來看，逆變器控制軟件可根據扭矩需求和其他關鍵參數對3L到2L運行模式的切換或反之的切換進行校準。

圖片來源：BW

04

多電平逆變器的設計：硬件設計與控制算法

(知識星球發(fā)布)

博格華納的2L電壓源逆變器平臺是多電平逆變器研發(fā)的基礎。多電平逆變器研發(fā)工作主要集中在：功率單元設計、控制方法以及支持多電平逆變器在2L/3L混合模式下運行的輔助資源上

05

功率模塊拓撲的設計詳解

5.1功率模塊低電感設計與拓撲布局

(知識星球發(fā)布)

先聊聊功率模塊。低電感設計對于功率半導體的快速且穩(wěn)定的開關操作至關重要。對于主流的全SiC的兩電平設計，實現(xiàn)優(yōu)化回路的基本原理大家可能已經比較熟悉了。但難點在于：如何針對T型拓撲結構實現(xiàn)類似的效果？尤其是，在逆變器需要同時運行于兩電平和三電平模式的約束條件下。

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5.2 2L/3L混合逆變器、全3L逆變器 · 對比

(知識星球發(fā)布)

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06

直流母線電容的設計詳解

6.1博格華納的創(chuàng)新解決方案：平面低電感電容器

(知識星球發(fā)布)

直流母線電容器是逆變器的重要組成部分，能及時提供能量并平滑功率開關的供電電壓，而其配置和數值受所選概念（3L與2L/3L混合）和中性點控制算法的影響。與兩電平電壓源逆變器相比，多級逆變器的直流母線電容器設計面臨更多挑戰(zhàn)！

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圖片來源：TDK

6.2 三母線排系統(tǒng)：賦予設計高度靈活性

(知識星球發(fā)布)

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6.3 創(chuàng)新的布局與互連：優(yōu)化電感提升能效

(知識星球發(fā)布)

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不一樣的中性點平衡控制的秘密

在電動汽車動力系統(tǒng)的復雜架構中，中性點鉗位型多級變流器（MLI）的穩(wěn)定運行，離不開對中性點電壓（NPV）的精準把控。那么，如何做到精確把控呢？

7.1 中性點電壓控制的必要性與技術路徑抉擇

(知識星球發(fā)布)

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7.2 三電平拓撲下的先進控制算法揭秘

(知識星球發(fā)布)

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圖片來源：Semikron

7.3 模式切換機制

(知識星球發(fā)布)

除基礎控制邏輯外，博格華納還設計了靈活的模式切換機制，如下圖邏輯所示：...

通過標定逆變器控制策略，可依據不同控制參數（如負載扭矩、電池狀態(tài)等），在運行中自主切換兩電平（2L）與電平（3L）模式。相關專利我已上傳支持星球，感興趣的朋友可以檢索觀看。

底層邏輯清楚了，下面我們站在整車視角來看看。

08

組件和車輛系統(tǒng)分析

8.1 評估的兩種集成驅動模塊概念(知識星球發(fā)布)

8.2 損耗對比與效率提升分析(知識星球發(fā)布)

圖片來源：BW

09 總結

今天我們圍繞博格華納多電平逆變器展開多方面探討，之所以找這個案例，有方面考慮：

首先，系統(tǒng)性說明了多電平逆變器的原因，即傳統(tǒng)兩電平逆變器在效率提升和成本優(yōu)化上有局限，而電動汽車發(fā)展對成本和效率愈發(fā)重視。

接著說明我們聊到了設計目標與概念，選擇 T 型拓撲結構的原因在于成本效益、運行模式靈活、容錯能力強。

然后，我們探究了下3L 概念、2L/3L 混合概念背后的思考，以及多電平逆變器在硬件設計與控制算法方面的研發(fā)重點。

之后詳細講解功率模塊拓撲、直流母線電容、中性點平衡控制的設計，并通過評估多電平逆變器在電動汽車中的車輛系統(tǒng)級表現(xiàn)，對比兩種集成驅動模塊概念的損耗與效率。

其實，還有很多地方值得思考，例如多電平逆變器在實際復雜路況下的長期穩(wěn)定性？不同類型電動汽車適配性？大規(guī)模生產時如何進一步優(yōu)化成本與工藝？以及與其他新興技術融合的可能性等方面？等等這些，仍有待深入探索。感謝你的閱讀，希望有所幫助!

以上《多電平逆變器深度解讀報告：2L/3L混合概念、硬件設計、控制算法、功率模塊拓撲、母線電容、中性點平衡控制》節(jié)選，完整內容、相關產品技術方案資料、深度解讀會在「SysPro系統(tǒng)工程智庫」知識星球中發(fā)布，歡迎進一步查閱、學習，希望有所幫助