多电平逆变器 · 全景解析：2L/3L混合概念、硬件拓扑与控制算法、母线电容、系统工程

- 关于多电平逆变器技术方案的深度解读
- 文字原创，素材来源：BW、hofer、TDK、Semikron- 本篇为知识星球节选，完整版报告与解读在知识星球发布- 2020-2025，1500+国内外动力系统峰会报告与解析正在进行

导语：在电动汽车蓬勃发展的当下，逆变器作为关键部件，其性能对车辆成本和效率影响重大。传统两电平逆变器在效率提升和成本优化上存在局限，为此展开多电平逆变器研发。多电平逆变器，我们在《hofer 最新电驱动系统"组合拳"-5招》系列文章中已谈及过这个话题，今天，我们来看看博格华纳的多电平逆变器（Multi-Level Traction Inverter - MLI）解决方案，继续深度探讨下这一技术及其背后的思考。
从设计目标与概念出发，深入探究3L 概念、2L/3L 混合概念背后的考量，详细阐述硬件设计、控制算法、功率模块拓扑、直流母线电容以及中性点平衡控制等关键环节。借助数字孪生平台，对比不同集成驱动模块概念的损耗与效率。通过本文搞明白下面几个关键问题：

为什么需要多电平逆变器？

博格华纳多电平逆变器设计目标与概念是什么？为何选择 T 型拓扑结构？

3L 概念、2L/3L 混合概念背后思考及硬件设计与控制算法重点？

功率模块拓扑、直流母线电容、中性点平衡控制如何设计？

不同集成驱动模块概念在电动汽车中的损耗与效率对比？

目录

1. 为什么需要多电平逆变器？

2. 设计目标与概念是什么？

3. 背后的思考：3L概念、2L/3L混合概念

3.1 全三电平拓扑概念

3.2 2L/3L混合概念

4. 多电平逆变器的设计：硬件设计与控制算法(知识星球发布)

5. 功率模块拓扑的设计详解(知识星球发布)

5.1 功率模块低电感设计与拓扑布局

5.2 2L/3L混合逆变器、全3L逆变器 · 对比

6. 直流母线电容的设计详解(知识星球发布)

6.1 博格华纳的创新解决方案：平面低电感电容器

6.2 三母线排系统：赋予设计高度灵活性

6.3 创新的布局与互连：优化电感提升能效

7. 不一样的中性点平衡控制的秘密(知识星球发布)

7.1 中性点电压控制的必要性与技术路径抉择

7.2 三电平拓扑下的先进控制算法揭秘

7.3 模式切换与专利设计的协同价值

8. 组件和车辆系统分析(知识星球发布)

8.1 评估的两种集成驱动模块概念

8.2 损耗对比与效率提升分析

9. 总结

|SysPro备注：本篇节选，相关技术资料在知识星球中发布(点击"阅读原文")

01为什么需要多电平逆变器？

在过去十年中，逆变器技术取得了显著进步。从800V设计到碳化硅晶体管的应用，再到可变开关策略、先进的热管理以及创新的控制和安全架构，逆变器以极高的效率运行，为车辆整体效率的提升做出了重要贡献。

传统的两电平电压源逆变器（VSI）虽然成熟，但在效率提升和成本优化方面存在局限。与此同时，电动汽车经过近10年的发展，已进入产品生命周期的增长阶段，成本和效率问题愈发受到重视。设计出能满足纯电动汽车成本和效率需求的车辆系统级解决方案，成为行业的重要课题。

图片来源：网络

为此，我们需要深入研究车辆层面的成本驱动因素和效率影响因素。以此切入，找到提升动力系统效率的关键，以帮助OEM减小电池组尺寸（降低成本）、提高续航里程。这里面的"关键"就是：逆变器和电机组件的协同优化。为此，提出了多电平逆变器（Multi-Level Traction Inverter - MLI）解决方案。

02

设计目标与概念是什么？

博格华纳的多级逆变器技术研发，基于专为轻型车辆市场设计的高可扩展性iDM 180-HF平台。在研发过程中，博格华纳考虑了纯电动汽车的load profile，以及特定的峰值和持续运行工作点，最终选择了T型拓扑结构的多级逆变器。

图片来源：BW

那么，为什么要选择T型拓扑结构呢？主要考虑下面几点因素：

成本效益：与有源中性点钳位（ANPC）拓扑结构相比，T型拓扑结构所需的功率开关数量更少，有助于实现具有成本效益的多级逆变器产品设计。

运行模式灵活：T型拓扑结构能根据扭矩和速度灵活选择iDM系统的两电平和三电平运行模式。

容错能力强：与传统的两级VSI产品相比，T型拓扑结构具有更高的容错能力，这得益于其更多的开关数量。

总体而言，T型拓扑结构为逆变器设计在成本和效率之间进行权衡提供了可能，同时也能灵活选择适合集成驱动系统运行范围内不同区域的半导体技术。图片来源：BW

03

背后的思考：3L概念、2L/3L混合概念

确定了技术路线，下面我们看看3L概念和2L/3L混合概念背后的思考。

在全3L拓扑概念中，T桥臂和V桥臂的功率开关尺寸设计都能支持在整个车辆运行范围内的运行。在三电平运行区域，多级逆变器为永磁电机提供了经过优化的、谐波含量更低的电流波形，也就是“洁净波技术”，英文名是Clean Wave Technology，从而减少电机损耗，提高集成驱动模块的整体效率。

图片来源：BW

而在2L/3L混合概念中，T桥臂功率开关的尺寸设计仅支持轻型纯电动汽车大部分运行时间所处的车辆运行范围部分。这种方法的好处是：能以较低的成本获得大部分潜在的效率提升。此外，由于V桥臂功率开关很少需要应对车辆运行的峰值电流点，因此在选择其半导体技术时也可以更注重成本效益（可以选便宜的方案）。

综合来看，逆变器控制软件可根据扭矩需求和其他关键参数对3L到2L运行模式的切换或反之的切换进行校准。

图片来源：BW

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多电平逆变器的设计：硬件设计与控制算法

(知识星球发布)

博格华纳的2L电压源逆变器平台是多电平逆变器研发的基础。多电平逆变器研发工作主要集中在：功率单元设计、控制方法以及支持多电平逆变器在2L/3L混合模式下运行的辅助资源上

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功率模块拓扑的设计详解

5.1功率模块低电感设计与拓扑布局

(知识星球发布)

先聊聊功率模块。低电感设计对于功率半导体的快速且稳定的开关操作至关重要。对于主流的全SiC的两电平设计，实现优化回路的基本原理大家可能已经比较熟悉了。但难点在于：如何针对T型拓扑结构实现类似的效果？尤其是，在逆变器需要同时运行于两电平和三电平模式的约束条件下。

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5.2 2L/3L混合逆变器、全3L逆变器 · 对比

(知识星球发布)

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06

直流母线电容的设计详解

6.1博格华纳的创新解决方案：平面低电感电容器

(知识星球发布)

直流母线电容器是逆变器的重要组成部分，能及时提供能量并平滑功率开关的供电电压，而其配置和数值受所选概念（3L与2L/3L混合）和中性点控制算法的影响。与两电平电压源逆变器相比，多级逆变器的直流母线电容器设计面临更多挑战！

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图片来源：TDK

6.2 三母线排系统：赋予设计高度灵活性

(知识星球发布)

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6.3 创新的布局与互连：优化电感提升能效

(知识星球发布)

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07

不一样的中性点平衡控制的秘密

在电动汽车动力系统的复杂架构中，中性点钳位型多级变流器（MLI）的稳定运行，离不开对中性点电压（NPV）的精准把控。那么，如何做到精确把控呢？

7.1 中性点电压控制的必要性与技术路径抉择

(知识星球发布)

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7.2 三电平拓扑下的先进控制算法揭秘

(知识星球发布)

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图片来源：Semikron

7.3 模式切换机制

(知识星球发布)

除基础控制逻辑外，博格华纳还设计了灵活的模式切换机制，如下图逻辑所示：...

通过标定逆变器控制策略，可依据不同控制参数（如负载扭矩、电池状态等），在运行中自主切换两电平（2L）与电平（3L）模式。相关专利我已上传支持星球，感兴趣的朋友可以检索观看。

底层逻辑清楚了，下面我们站在整车视角来看看。

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组件和车辆系统分析

8.1 评估的两种集成驱动模块概念(知识星球发布)

8.2 损耗对比与效率提升分析(知识星球发布)

图片来源：BW

09 总结

今天我们围绕博格华纳多电平逆变器展开多方面探讨，之所以找这个案例，有方面考虑：

首先，系统性说明了多电平逆变器的原因，即传统两电平逆变器在效率提升和成本优化上有局限，而电动汽车发展对成本和效率愈发重视。

接着说明我们聊到了设计目标与概念，选择 T 型拓扑结构的原因在于成本效益、运行模式灵活、容错能力强。

然后，我们探究了下3L 概念、2L/3L 混合概念背后的思考，以及多电平逆变器在硬件设计与控制算法方面的研发重点。

之后详细讲解功率模块拓扑、直流母线电容、中性点平衡控制的设计，并通过评估多电平逆变器在电动汽车中的车辆系统级表现，对比两种集成驱动模块概念的损耗与效率。

其实，还有很多地方值得思考，例如多电平逆变器在实际复杂路况下的长期稳定性？不同类型电动汽车适配性？大规模生产时如何进一步优化成本与工艺？以及与其他新兴技术融合的可能性等方面？等等这些，仍有待深入探索。感谢你的阅读，希望有所帮助!

以上《多电平逆变器深度解读报告：2L/3L混合概念、硬件设计、控制算法、功率模块拓扑、母线电容、中性点平衡控制》节选，完整内容、相关产品技术方案资料、深度解读会在「SysPro系统工程智库」知识星球中发布，欢迎进一步查阅、学习，希望有所帮助