NE时代

随着新能源汽车电驱系统向高电压、高功率密度发展，逆变器既要降低损耗，也要控制输出谐波和电磁干扰。两电平拓扑结构简单，但功率器件每次开关需要完成较大的电压跃变。三电平拓扑增加了中点电平，可以把输出电压划分为+Vdc/2、0、-Vdc/2，减小单次电压阶跃，输出波形也更接近正弦波。

常见三电平电路包括二极管钳位型NPC1、Conergy NPC，也称NPC2或T型三电平，以及有源中点钳位ANPC。三者都能输出三个电平，但器件耐压、换流路径和损耗分布并不相同。

联合动力专利提出的可变驱动方法，主要围绕NPC2/T型三电平拓扑展开，通过改变竖管的栅极驱动能力，使控制器在三电平效率工况与两电平高应力工况之间取得平衡。

01.

三电平拓扑的优势取决于具体电路结构

NPC1采用四个串联功率开关和两个中点钳位二极管。正常工作时，每个开关器件主要承受半母线电压，因此可以选用耐压等级较低、开关性能更好的功率器件。它的不足是导通路径经过的器件较多，导通损耗和器件数量随之增加。

NPC2用一对背靠背功率开关代替NPC1的钳位二极管，形成横向中点支路。外侧的T1、T4连接正负母线，可称为竖管；中点支路中的T2、T3可称为横管。NPC2减少了主电流路径上的串联器件数量，导通损耗通常低于NPC1，但外侧T1、T4仍需按照全母线阻断电压选型。

这一点需要与三电平正常换流时的电压应力区分开来。NPC2竖管虽然是全母线耐压器件，但在三电平正常运行中，其主要开关换流过程发生在正母线与中点之间，或中点与负母线之间。器件开关时面对的电压跃变量和换流回路通常对应半母线电压。遇到故障封波或模式跳变后，换流路径才可能扩展到整个直流母线。

ANPC则在NPC1基础上用有源开关替代钳位二极管。控制器可以选择不同的零电平续流路径，调节各器件的开关频率和损耗分布。ANPC-1、ANPC-2等调制方法会安排不同器件进行高频开关，因此不能直接套用NPC2的“竖管强驱动、横管固定驱动”方法。

三电平拓扑的效率优势也不是固定不变的。根据英飞凌相关仿真表明，NPC2在中低开关频率下可能因导通路径较短而具有较低总损耗；开关频率提高后，NPC1较低的器件开关电压开始体现优势。两种拓扑的损耗曲线会在某一频率附近交叉，具体交点由母线电压、输出电流及器件特性决定。

图片来源：英飞凌

02.

可变栅极驱动怎样利用不同模式的应力差异

新能源汽车在CLTC、WLTC等循环工况下，更关注持续运行效率。控制器可以采用三电平模式，利用较小的电压阶跃降低开关损耗和电机侧谐波。车辆急加速或爬坡时，控制器可能进入两电平模式，以获得更大的调制范围和瞬时输出能力。

传统方案通常使用一组固定栅极驱动参数。由于NPC2竖管还要应对全母线电压、短路和过流等工况，设计人员需要限制开关速度，以免杂散电感在快速关断时产生过高电压尖峰。这组参数用于三电平正常运行后，会让竖管开关速度偏慢，增加不必要的开关损耗。

联合动力专利提出为竖管设置强弱两种驱动方式。三电平模式采用强驱动，通过减小栅极电阻或增大驱动电流，加快器件开通和关断，缩短电压与电流重叠的时间。两电平等非三电平模式采用弱驱动，降低di/dt和dv/dt，给全母线电压下的开关过冲留出裕量。

该方法的依据并不是“竖管只耐半母线电压”，而是竖管在三电平正常运行时的开关电压跃变量较小。器件本身仍需具备全母线阻断能力，也要通过全母线换流回路下的应力考核。

模式切换时，驱动档位需要先于拓扑状态改变。专利给出的故障场景中，桥臂原本处于正电平状态。控制器突然封锁驱动信号后，负载电流转移到下竖管的反并联二极管，输出可能直接由正电平跳到负电平。换流回路随之从半母线回路扩大为全母线回路。

如果竖管仍处于强驱动档位，全母线电压与较高的电流变化率叠加，可能产生超过器件耐压的尖峰。因此，三电平模式切换到两电平模式之前，控制器应先把竖管调整为弱驱动，确认驱动档位生效后再改变调制和拓扑状态。

强驱动参数还要考虑异常封波。横管发生故障后，竖管可能在驱动档位尚未改变时进入全母线换流回路，所以强驱动档位也必须通过相应的全母线瞬态考核。弱驱动参数则重点针对全母线短路、发电断主接和控制发散等故障。此时放慢关断速度可以限制杂散电感产生的尖峰，实现较平缓的故障电流关断。

03.

可变驱动的工程价值及应用边界

可变驱动策略利用了NPC2在不同工作模式下的换流应力差异。三电平正常运行时，控制器提高竖管开关速度，降低循环工况中的开关损耗；进入两电平或高应力状态后，控制器降低开关速度，优先保护功率器件。驱动参数由固定折中值变成随工况切换的参数。

这套方法能否落地，很大程度上取决于全母线换流回路的杂散电感。器件关断时产生的附加电压可以近似表示为：回路杂感越大，强驱动引起的电压过冲越明显，可用的驱动调节范围也越小。

专利给出的硬件方案包括增加全母线支撑电容，以及在功率模块附近设置低杂感电容。前者承担两电平模式下的脉动电流，后者缩短局部换流路径。硬件回路完成低杂感设计后，控制器才有条件在三电平模式下使用更强的驱动。

EMI同样需要重新评估。三电平拓扑通过减小输出电压阶跃改善谐波和共模干扰，但强栅极驱动会提高功率器件局部的dv/dt和di/dt。最终效果取决于栅极电阻、母排结构、调制方式和电机电缆，不能仅依据“三电平模式”判断EMI一定降低。

产品开发还要处理驱动档位切换的细节。控制器需要明确档位切换发生在PWM周期的哪个阶段，如何判断可变电阻或可调电流源已经生效，以及驱动切换电路失效后怎样进入安全状态。不同母线电压、输出电流和结温也可能需要不同参数。

更完整的实现可以在强弱两档基础上增加软关断档位。控制器在三电平正常运行时采用较强驱动，在两电平运行时降低驱动能力，短路故障时再使用经过标定的软关断曲线。若驱动芯片支持主动栅极控制，还可以根据漏源电压或集电极电压反馈，连续调节开关速度。

总结.

这项专利的价值在于把拓扑工作模式与栅极驱动参数联系起来。它没有改变T型三电平电路的基本结构，而是利用半母线正常换流与全母线故障换流之间的应力差异，为竖管选择不同的开关速度。准确区分器件阻断耐压、正常换流电压和故障瞬态应力，是理解并实施这项方案的关键。