车规模块系列（十一）：三电平拓扑模块

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前言

之前我们聊过好多的车规模块，其中用量最广，持续最久，最受青睐的应该当属英飞凌HPD封装了，前面我们也说了合适（性价比）才是当下的主旋律。但不断发展迭代的趋势一直都在，创新从不缺乏，但实际应用并没有那么多。

从去年Tesla的减少75% SiC用量的方案开始，当然现在来看这个方案大概率是Si+SiC混合并联（但截至目前，据我了解Tesla还没有推出最终的产品，个人猜测也许它不会面世），国内也有很多家已经开始设计这个方案，有基于TPAK的，也有基于HPD的，正如最近提到汇川应用英飞凌混合HPD的电控。到近期很多在研的还有三电平拓扑，PCB嵌入式等等。这些相对于汽车主驱而言相对“新鲜”的想法，到最后的量产其实还有一段时间。

混合并联和PCB嵌入式的方案，我们前面都有简单地聊过，

Tesla：减少75%的SiC用量！会是它吗？

车规模块系列（九）：PCB嵌入式功率模块

今天我们来聊聊三电平拓扑。（写到这儿，想起前和领导在Tesla那篇发布的一大早电话讨论的场景，它问我为什么不会是三电平，其实当时也没有否定这个猜想，毕竟三电平的优势是有的，只不过它从两电平变成了三电平，多久它才会映入汽车领域，现在看来也就一年多的时间。）

今天的参考是来自前东家在今年PCIM上的分享，基于emPack封装的三电平方案。

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三电平NPC

Netural Point Clamped

三电平拓扑，想必常在工业的朋友可能再熟悉不过了，现在风电、光伏和储能上基本上都是三电平拓扑，除了引入碳化硅，出于成本的考虑返回到两电平拓扑。三电平常见的有T型三电平和I型三电平，两者拓扑如下：

可以看出相对于两电平，三电平多了一个中性点，即从两电平的DC+/DC-到三电平的DC+/N/DC-，中性点的增加使得其电压状态也增加了一个，也就是为什么叫三电平的原因。

通过引入第三个电压电平，输出电压的波形近似得更接近期望的正弦波形，并且可以降低电流THD。

两电平2L→三电平3L：

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3-Level对主驱的优势

除了电机控制器的损耗以外，电机的损耗也是效率需要考虑的部分，这些损失主要包括机械损失、铜损失(I^2R损失)、铁芯损失（包括THD引起的损失)。铁芯损耗主要和其磁性能有关，可分为两大类，即磁滞损失和涡流损失。

磁滞损耗

是由于交流电（AC）通过电机绕组时，铁芯的反复磁化和退磁化的结果。铁芯具有一定的保持性，这意味着即使在磁场逆转后，它仍能保持一定的磁化强度。随着磁化强度随交流电方向的不断变化，由于代表能量损失的磁滞回线，能量以热量的形式损失。

其中kh为铁磁材料的磁滞系数，f为以赫兹为单位的电源频率，Bmax为Wb/m^2的最大磁通密度，铁磁材料的体积以m^3为单位。

涡流损耗

由于磁场的变化，铁芯内感应电流的循环导致了涡流损失。铁芯是一种良好的导体，会经历涡流，以热的形式产生电阻损失。这些电流可以通过层压铁芯，与层压层之间的绝缘材料来最小化，以减少涡流的闭环路径。

其中Ke为涡流常数，Bmax为最大通量密度，f为包括谐波在内的感应电压的频率，V为材料的体积。

下面是基于2电平到5电平的铁芯涡流损耗和调制度的关系，可见，由于谐波的减小，给涡流损耗带来了较大的降低。

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基于eMPack封装三电平

之前有一篇也专门聊过eMPack这个性能优异的封装，但似乎不太适合目前国内的市场。

车规模块系列（六）：赛米控丹佛斯eMPack

上面我们提到了I型和T型三电平，从拓扑上看，T型的器件数量要少于I型，即T型的芯片布局相应会较小。在eMPack单相的封装尺寸不变的条件下，T型三电平的芯片布局更容易实现。下图是2L和T型3L的示意图。

可见，三电平多出了中性点N，所以直流侧的功率段子进行了变化。

另外，选择T型还有一个原因，就是T型只有短路径换流回路，而I型则有长换流回路和短换流回路，T型在电压尖峰上有着些许优势，这也是目前来看，T型更合适的原因。同时，汽车电池电压相对于风光储而言，还不算高，T型够用。

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总结

三电平相对于两电平在实际表现是否真的会带来较高的性价比收益，这个可能也是目前大于处于样机设计阶段想要通过实测对比来验证的内容。

同时采用那种封装，以及芯片布局等也需要考量很多，但对于有着风光储行业应用的半导体厂家来说，积累的经验可以更好地支撑其设计出一款好的三电平车规模块。

今天的内容希望你们能够喜欢！

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