車規(guī)模塊系列（十一）：三電平拓?fù)淠K

花開不并百花叢，獨立疏籬趣未窮。寧可枝頭抱香死，何曾吹落北風(fēng)中。

秋意漸濃，又是好久不見！驟降的天氣似乎也掩蓋不了半導(dǎo)體圈的熱情，雖然市場有點模糊的蕭條，但這并不影響我們?yōu)榱擞哟禾斓募で椤?/p>

前言

之前我們聊過好多的車規(guī)模塊，其中用量最廣，持續(xù)最久，最受青睞的應(yīng)該當(dāng)屬英飛凌HPD封裝了，前面我們也說了合適（性價比）才是當(dāng)下的主旋律。但不斷發(fā)展迭代的趨勢一直都在，創(chuàng)新從不缺乏，但實際應(yīng)用并沒有那么多。

從去年Tesla的減少75% SiC用量的方案開始，當(dāng)然現(xiàn)在來看這個方案大概率是Si+SiC混合并聯(lián)（但截至目前，據(jù)我了解Tesla還沒有推出最終的產(chǎn)品，個人猜測也許它不會面世），國內(nèi)也有很多家已經(jīng)開始設(shè)計這個方案，有基于TPAK的，也有基于HPD的，正如最近提到匯川應(yīng)用英飛凌混合HPD的電控。到近期很多在研的還有三電平拓?fù)洌?a class="article-link" target="_blank" href="/e/1606711.html">PCB嵌入式等等。這些相對于汽車主驅(qū)而言相對“新鮮”的想法，到最后的量產(chǎn)其實還有一段時間。

混合并聯(lián)和PCB嵌入式的方案，我們前面都有簡單地聊過，

Tesla：減少75%的SiC用量！會是它嗎？

車規(guī)模塊系列（九）：PCB嵌入式功率模塊

今天我們來聊聊三電平拓?fù)洹＃▽懙竭@兒，想起前和領(lǐng)導(dǎo)在Tesla那篇發(fā)布的一大早電話討論的場景，它問我為什么不會是三電平，其實當(dāng)時也沒有否定這個猜想，畢竟三電平的優(yōu)勢是有的，只不過它從兩電平變成了三電平，多久它才會映入汽車領(lǐng)域，現(xiàn)在看來也就一年多的時間。）

今天的參考是來自前東家在今年P(guān)CIM上的分享，基于emPack封裝的三電平方案。

三電平NPC

Netural Point Clamped

三電平拓?fù)洌氡爻Ｔ诠I(yè)的朋友可能再熟悉不過了，現(xiàn)在風(fēng)電、光伏和儲能上基本上都是三電平拓?fù)洌艘?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%A2%B3%E5%8C%96%E7%A1%85/">碳化硅，出于成本的考慮返回到兩電平拓?fù)洹Ｈ娖匠Ｒ姷挠蠺型三電平和I型三電平，兩者拓?fù)淙缦拢?/p>

可以看出相對于兩電平，三電平多了一個中性點，即從兩電平的DC+/DC-到三電平的DC+/N/DC-，中性點的增加使得其電壓狀態(tài)也增加了一個，也就是為什么叫三電平的原因。

通過引入第三個電壓電平，輸出電壓的波形近似得更接近期望的正弦波形，并且可以降低電流THD。

兩電平2L→三電平3L：

3L的THD能夠降低，也就是相同THD的情況下，3L的開關(guān)頻率可以做得更高；

開關(guān)頻率的提高，能夠降低無源器件的尺寸和成本，從而在一定意義上也彌補了3L開關(guān)數(shù)量（相應(yīng)的驅(qū)動數(shù)量和控制復(fù)雜度）增加帶來的成本增加；

3L的各器件的耐壓需求有的只需要兩電平的一半，T型的橫管和I型的豎管；

3L對于提升效率，功率密度和改善EMC是有好處的，同時由于存在高頻/低頻管而使Si和SiC混合拓?fù)浯嬖诳赡堋?/p>

3-Level對主驅(qū)的優(yōu)勢

除了電機(jī)控制器的損耗以外，電機(jī)的損耗也是效率需要考慮的部分，這些損失主要包括機(jī)械損失、銅損失(I^2R損失)、鐵芯損失（包括THD引起的損失)。鐵芯損耗主要和其磁性能有關(guān)，可分為兩大類，即磁滯損失和渦流損失。

磁滯損耗

是由于交流電（AC）通過電機(jī)繞組時，鐵芯的反復(fù)磁化和退磁化的結(jié)果。鐵芯具有一定的保持性，這意味著即使在磁場逆轉(zhuǎn)后，它仍能保持一定的磁化強度。隨著磁化強度隨交流電方向的不斷變化，由于代表能量損失的磁滯回線，能量以熱量的形式損失。

其中kh為鐵磁材料的磁滯系數(shù)，f為以赫茲為單位的電源頻率，Bmax為Wb/m^2的最大磁通密度，鐵磁材料的體積以m^3為單位。

渦流損耗

由于磁場的變化，鐵芯內(nèi)感應(yīng)電流的循環(huán)導(dǎo)致了渦流損失。鐵芯是一種良好的導(dǎo)體，會經(jīng)歷渦流，以熱的形式產(chǎn)生電阻損失。這些電流可以通過層壓鐵芯，與層壓層之間的絕緣材料來最小化，以減少渦流的閉環(huán)路徑。

其中Ke為渦流常數(shù)，Bmax為最大通量密度，f為包括諧波在內(nèi)的感應(yīng)電壓的頻率，V為材料的體積。

下面是基于2電平到5電平的鐵芯渦流損耗和調(diào)制度的關(guān)系，可見，由于諧波的減小，給渦流損耗帶來了較大的降低。

基于eMPack封裝三電平

之前有一篇也專門聊過eMPack這個性能優(yōu)異的封裝，但似乎不太適合目前國內(nèi)的市場。

車規(guī)模塊系列（六）：賽米控丹佛斯eMPack

上面我們提到了I型和T型三電平，從拓?fù)渖峡?，T型的器件數(shù)量要少于I型，即T型的芯片布局相應(yīng)會較小。在eMPack單相的封裝尺寸不變的條件下，T型三電平的芯片布局更容易實現(xiàn)。下圖是2L和T型3L的示意圖。

可見，三電平多出了中性點N，所以直流側(cè)的功率段子進(jìn)行了變化。

另外，選擇T型還有一個原因，就是T型只有短路徑換流回路，而I型則有長換流回路和短換流回路，T型在電壓尖峰上有著些許優(yōu)勢，這也是目前來看，T型更合適的原因。同時，汽車電池電壓相對于風(fēng)光儲而言，還不算高，T型夠用。

總結(jié)

三電平相對于兩電平在實際表現(xiàn)是否真的會帶來較高的性價比收益，這個可能也是目前大于處于樣機(jī)設(shè)計階段想要通過實測對比來驗證的內(nèi)容。

同時采用那種封裝，以及芯片布局等也需要考量很多，但對于有著風(fēng)光儲行業(yè)應(yīng)用的半導(dǎo)體廠家來說，積累的經(jīng)驗可以更好地支撐其設(shè)計出一款好的三電平車規(guī)模塊。

今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡！