- 關(guān)于多電平逆變器技術(shù)方案的深度解讀
- 文字原創(chuàng)，素材來(lái)源：BW、hofer、TDK、Semikron- 本篇為知識(shí)星球節(jié)選，完整版報(bào)告與解讀在知識(shí)星球發(fā)布- 2020-2025，1500+國(guó)內(nèi)外動(dòng)力系統(tǒng)峰會(huì)報(bào)告與解析正在進(jìn)行

導(dǎo)語(yǔ)：在電動(dòng)汽車蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，逆變器作為關(guān)鍵部件，其性能對(duì)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(kāi)多電平逆變器研發(fā)。多電平逆變器，我們?cè)?strong>《hofer 最新電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)"組合拳"-5招》系列文章中已談及過(guò)這個(gè)話題，今天，我們來(lái)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(shù)及其背后的思考。
從設(shè)計(jì)目標(biāo)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(xì)闡述硬件設(shè)計(jì)、控制算法、功率模塊拓?fù)?、直流母線電容以及中性點(diǎn)平衡控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。借助數(shù)字孿生平臺(tái)，對(duì)比不同集成驅(qū)動(dòng)模塊概念的損耗與效率。通過(guò)本文搞明白下面幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

為什么需要多電平逆變器？

博格華納多電平逆變器設(shè)計(jì)目標(biāo)與概念是什么？為何選擇 T 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)？

3L 概念、2L/3L 混合概念背后思考及硬件設(shè)計(jì)與控制算法重點(diǎn)？

功率模塊拓?fù)?、直流母線電容、中性點(diǎn)平衡控制如何設(shè)計(jì)？

不同集成驅(qū)動(dòng)模塊概念在電動(dòng)汽車中的損耗與效率對(duì)比？

目錄

1. 為什么需要多電平逆變器？

2. 設(shè)計(jì)目標(biāo)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?fù)涓拍?/strong>

3.2 2L/3L混合概念

4. 多電平逆變器的設(shè)計(jì)：硬件設(shè)計(jì)與控制算法(知識(shí)星球發(fā)布)

5. 功率模塊拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)詳解(知識(shí)星球發(fā)布)

5.1 功率模塊低電感設(shè)計(jì)與拓?fù)洳季?/strong>

5.2 2L/3L混合逆變器、全3L逆變器 · 對(duì)比

6. 直流母線電容的設(shè)計(jì)詳解(知識(shí)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(shè)計(jì)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(diǎn)平衡控制的秘密(知識(shí)星球發(fā)布)

7.1 中性點(diǎn)電壓控制的必要性與技術(shù)路徑抉擇

7.2 三電平拓?fù)湎碌南冗M(jìn)控制算法揭秘

7.3 模式切換與專利設(shè)計(jì)的協(xié)同價(jià)值

8. 組件和車輛系統(tǒng)分析(知識(shí)星球發(fā)布)

8.1 評(píng)估的兩種集成驅(qū)動(dòng)模塊概念

8.2 損耗對(duì)比與效率提升分析

9. 總結(jié)

|SysPro備注：本篇節(jié)選，相關(guān)技術(shù)資料在知識(shí)星球中發(fā)布(點(diǎn)擊"閱讀原文")

01為什么需要多電平逆變器？

在過(guò)去十年中，逆變器技術(shù)取得了顯著進(jìn)步。從800V設(shè)計(jì)到碳化硅晶體管的應(yīng)用，再到可變開(kāi)關(guān)策略、先進(jìn)的熱管理以及創(chuàng)新的控制和安全架構(gòu)，逆變器以極高的效率運(yùn)行，為車輛整體效率的提升做出了重要貢獻(xiàn)。

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(shí)，電動(dòng)汽車經(jīng)過(guò)近10年的發(fā)展，已進(jìn)入產(chǎn)品生命周期的增長(zhǎng)階段，成本和效率問(wèn)題愈發(fā)受到重視。設(shè)計(jì)出能滿足純電動(dòng)汽車成本和效率需求的車輛系統(tǒng)級(jí)解決方案，成為行業(yè)的重要課題。

圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

為此，我們需要深入研究車輛層面的成本驅(qū)動(dòng)因素和效率影響因素。以此切入，找到提升動(dòng)力系統(tǒng)效率的關(guān)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(guān)鍵"就是：逆變器和電機(jī)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(shè)計(jì)目標(biāo)與概念是什么？

博格華納的多級(jí)逆變器技術(shù)研發(fā)，基于專為輕型車輛市場(chǎng)設(shè)計(jì)的高可擴(kuò)展性iDM 180-HF平臺(tái)。在研發(fā)過(guò)程中，博格華納考慮了純電動(dòng)汽車的load profile，以及特定的峰值和持續(xù)運(yùn)行工作點(diǎn)，最終選擇了T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多級(jí)逆變器。

圖片來(lái)源：BW

那么，為什么要選擇T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呢？主要考慮下面幾點(diǎn)因素：

成本效益：與有源中性點(diǎn)鉗位（ANPC）拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)相比，T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需的功率開(kāi)關(guān)數(shù)量更少，有助于實(shí)現(xiàn)具有成本效益的多級(jí)逆變器產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

運(yùn)行模式靈活：T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能根據(jù)扭矩和速度靈活選擇iDM系統(tǒng)的兩電平和三電平運(yùn)行模式。

容錯(cuò)能力強(qiáng)：與傳統(tǒng)的兩級(jí)VSI產(chǎn)品相比，T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有更高的容錯(cuò)能力，這得益于其更多的開(kāi)關(guān)數(shù)量。

總體而言，T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為逆變器設(shè)計(jì)在成本和效率之間進(jìn)行權(quán)衡提供了可能，同時(shí)也能靈活選擇適合集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行范圍內(nèi)不同區(qū)域的半導(dǎo)體技術(shù)。圖片來(lái)源：BW

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背后的思考：3L概念、2L/3L混合概念

確定了技術(shù)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?fù)涓拍?/strong>中，T橋臂和V橋臂的功率開(kāi)關(guān)尺寸設(shè)計(jì)都能支持在整個(gè)車輛運(yùn)行范圍內(nèi)的運(yùn)行。在三電平運(yùn)行區(qū)域，多級(jí)逆變器為永磁電機(jī)提供了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的、諧波含量更低的電流波形，也就是“潔凈波技術(shù)”，英文名是Clean Wave Technology，從而減少電機(jī)損耗，提高集成驅(qū)動(dòng)模塊的整體效率。

圖片來(lái)源：BW

而在2L/3L混合概念中，T橋臂功率開(kāi)關(guān)的尺寸設(shè)計(jì)僅支持輕型純電動(dòng)汽車大部分運(yùn)行時(shí)間所處的車輛運(yùn)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(kāi)關(guān)很少需要應(yīng)對(duì)車輛運(yùn)行的峰值電流點(diǎn)，因此在選擇其半導(dǎo)體技術(shù)時(shí)也可以更注重成本效益（可以選便宜的方案）。

綜合來(lái)看，逆變器控制軟件可根據(jù)扭矩需求和其他關(guān)鍵參數(shù)對(duì)3L到2L運(yùn)行模式的切換或反之的切換進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖片來(lái)源：BW

04

多電平逆變器的設(shè)計(jì)：硬件設(shè)計(jì)與控制算法

(知識(shí)星球發(fā)布)

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

05

功率模塊拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)詳解

5.1功率模塊低電感設(shè)計(jì)與拓?fù)洳季?/strong>

(知識(shí)星球發(fā)布)

先聊聊功率模塊。低電感設(shè)計(jì)對(duì)于功率半導(dǎo)體的快速且穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)操作至關(guān)重要。對(duì)于主流的全SiC的兩電平設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化回路的基本原理大家可能已經(jīng)比較熟悉了。但難點(diǎn)在于：如何針對(duì)T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)類似的效果？尤其是，在逆變器需要同時(shí)運(yùn)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(duì)比

(知識(shí)星球發(fā)布)

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06

直流母線電容的設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)提供能量并平滑功率開(kāi)關(guān)的供電電壓，而其配置和數(shù)值受所選概念（3L與2L/3L混合）和中性點(diǎn)控制算法的影響。與兩電平電壓源逆變器相比，多級(jí)逆變器的直流母線電容器設(shè)計(jì)面臨更多挑戰(zhàn)！

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圖片來(lái)源：TDK

6.2 三母線排系統(tǒng)：賦予設(shè)計(jì)高度靈活性

(知識(shí)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(shí)星球發(fā)布)

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07

不一樣的中性點(diǎn)平衡控制的秘密

在電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜架構(gòu)中，中性點(diǎn)鉗位型多級(jí)變流器（MLI）的穩(wěn)定運(yùn)行，離不開(kāi)對(duì)中性點(diǎn)電壓（NPV）的精準(zhǔn)把控。那么，如何做到精確把控呢？

7.1 中性點(diǎn)電壓控制的必要性與技術(shù)路徑抉擇

(知識(shí)星球發(fā)布)

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7.2 三電平拓?fù)湎碌南冗M(jìn)控制算法揭秘

(知識(shí)星球發(fā)布)

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圖片來(lái)源：Semikron

7.3 模式切換機(jī)制

(知識(shí)星球發(fā)布)

除基礎(chǔ)控制邏輯外，博格華納還設(shè)計(jì)了靈活的模式切換機(jī)制，如下圖邏輯所示：...

通過(guò)標(biāo)定逆變器控制策略，可依據(jù)不同控制參數(shù)（如負(fù)載扭矩、電池狀態(tài)等），在運(yùn)行中自主切換兩電平（2L）與電平（3L）模式。相關(guān)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(lái)看看。

08

組件和車輛系統(tǒng)分析

8.1 評(píng)估的兩種集成驅(qū)動(dòng)模塊概念(知識(shí)星球發(fā)布)

8.2 損耗對(duì)比與效率提升分析(知識(shí)星球發(fā)布)

圖片來(lái)源：BW

09 總結(jié)

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

首先，系統(tǒng)性說(shuō)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(dòng)汽車發(fā)展對(duì)成本和效率愈發(fā)重視。

接著說(shuō)明我們聊到了設(shè)計(jì)目標(biāo)與概念，選擇 T 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因在于成本效益、運(yùn)行模式靈活、容錯(cuò)能力強(qiáng)。

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(shè)計(jì)與控制算法方面的研發(fā)重點(diǎn)。

之后詳細(xì)講解功率模塊拓?fù)洹⒅绷髂妇€電容、中性點(diǎn)平衡控制的設(shè)計(jì)，并通過(guò)評(píng)估多電平逆變器在電動(dòng)汽車中的車輛系統(tǒng)級(jí)表現(xiàn)，對(duì)比兩種集成驅(qū)動(dòng)模塊概念的損耗與效率。

其實(shí)，還有很多地方值得思考，例如多電平逆變器在實(shí)際復(fù)雜路況下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性？不同類型電動(dòng)汽車適配性？大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)如何進(jìn)一步優(yōu)化成本與工藝？以及與其他新興技術(shù)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(bào)告：2L/3L混合概念、硬件設(shè)計(jì)、控制算法、功率模塊拓?fù)洹⒛妇€電容、中性點(diǎn)平衡控制》節(jié)選，完整內(nèi)容、相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)方案資料、深度解讀會(huì)在「SysPro系統(tǒng)工程智庫(kù)」知識(shí)星球中發(fā)布，歡迎進(jìn)一步查閱、學(xué)習(xí)，希望有所幫助