芯耀
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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，最受青睞的應該當屬英飛凌HPD封裝了，前面我們也說了合適（性價比）才是當下的主旋律。但不斷發(fā)展迭代的趨勢一直都在，創(chuàng)新從不缺乏，但實際應用并沒有那么多。
從去年Tesla的減少75% SiC用量的方案開始，當然現在來看這個方案大概率是Si+SiC混合并聯（但截至目前，據我了解Tesla還沒有推出最終的產品，個人猜測也許它不會面世），國內也有很多家已經開始設計這個方案，有基于TPAK的，也有基于HPD的，正如最近提到匯川應用英飛凌混合HPD的電控。到近期很多在研的還有三電平拓撲，PCB嵌入式等等。這些相對于汽車主驅而言相對“新鮮”的想法，到最后的量產其實還有一段時間。
混合并聯和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撲。（寫到這兒，想起前和領導在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域，現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PCIM上的分享，基于emPack封裝的三電平方案。
三電平NPC
Netural Point Clamped
三電平拓撲，想必常在工業(yè)的朋友可能再熟悉不過了，現在風電、光伏和儲能上基本上都是三電平拓撲，除了引入碳化硅，出于成本的考慮返回到兩電平拓撲。三電平常見的有T型三電平和I型三電平，兩者拓撲如下：
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的開關頻率可以做得更高；
開關頻率的提高，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開關數量（相應的驅動數量和控制復雜度）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混合拓撲存在可能。
3-Level對主驅的優(yōu)勢
除了電機控制器的損耗以外，電機的損耗也是效率需要考慮的部分，這些損失主要包括機械損失、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，可分為兩大類，即磁滯損失和渦流損失。
是由于交流電（AC）通過電機繞組時，鐵芯的反復磁化和退磁化的結果。鐵芯具有一定的保持性，這意味著即使在磁場逆轉后，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，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。
由于磁場的變化，鐵芯內感應電流的循環(huán)導致了渦流損失。鐵芯是一種良好的導體，會經歷渦流，以熱的形式產生電阻損失。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，Bmax為最大通量密度，f為包括諧波在內的感應電壓的頻率，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制度的關系，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，從拓撲上看，T型的器件數量要少于I型，即T型的芯片布局相應會較小。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。下圖是2L和T型3L的示意圖。
可見，三電平多出了中性點N，所以直流側的功率段子進行了變化。
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光儲而言，還不算高，T型夠用。
總結
三電平相對于兩電平在實際表現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設計階段想要通過實測對比來驗證的內容。
同時采用那種封裝，以及芯片布局等也需要考量很多，但對于有著風光儲行業(yè)應用的半導體廠家來說，積累的經驗可以更好地支撐其設計出一款好的三電平車規(guī)模塊。
今天的內容希望你們能夠喜歡！
