三電平逆變器在馬達應用中的特點與架構比較

在馬達驅動系統中，逆變器(inverter)扮演著將直流電轉換為交流電的關鍵角色。傳統的二電平(2-level)逆變器雖然結構簡單，但在高電壓或高功率應用中會面臨幾個挑戰：

1. 開關電壓應力大：每個功率元件必須承受整個直流母線電壓，限制了可選用的元件與可靠度

2. 輸出電壓波形品質差：二電平輸出僅能在「+Vdc/2」與「–Vdc/2」間切換，造成較大的諧波含量，影響馬達效率與溫升

3. 電磁干擾(EMI)嚴重：因為電壓變化太快、波形裡又帶有很多雜訊，容易對周邊設備造成干擾，讓系統的穩定性變差

為了解決這些問題，三電平(3-level)逆變器被提出。透過在每相橋臂中引入中點電位或額外的功率元件，三電平結構能夠在輸出端形成三個電壓層級：+Vdc/2、0、–Vdc/2。這樣的改進帶來以下好處：

• 降低開關元件的電壓應力(每顆只需承受 Vdc/2)

• 改善輸出波形品質，大幅降低諧波，使馬達運轉更平順、高效

• 降低濾波器設計難度，因諧波含量降低，濾波器的尺寸、重量與成本皆可縮減

目前常見的三電平架構包含：中點鉗位式 (NPC, Neutral-Point Clamped)、T-Type 結構、主動中點鉗位式 (ANPC, Active Neutral-Point Clamped)

1. 三電平 NPC (Neutral-Point Clamped) 結構

NPC 是最早被廣泛採用的三電平架構。它在每個橋臂中，除了上下兩個主開關外，額外加入兩個「中點二極體」，用來將直流母線分壓並建立中點電位。

優點

• 結構成熟，設計與控制相對單純

• 開關器件僅承受 Vdc/2，元件選擇更靈活

• 成本效益高，使用二極體進行箝位，比全主動開關方案更經濟

缺點

• 損耗分佈不均，外側開關承受主要的導通損耗，內側開關則承受主要的開關損耗。這種熱量分佈不均現象導致熱點集中，限制了系統的功率密度與開關頻率

2. 三電平 T-Type 結構

T-Type 是 NPC 的演化版本。它將 NPC 架構中的「中點二極體」改為「開關元件」，形成類似字母 T 的橋臂拓撲。

優點

• 高效率與低導通損耗，電流流向中性點時僅需經過一個半導體元件，相較於 NPC需經過兩個元件，導通損耗顯著降低，使T-Type效率極高，特別是在 800V至1000V的系統中表現出色

缺點

• 主開關的開關損耗較高，負責切換全電壓的主開關需採用更高耐壓等級的元件，這通常伴隨著較高的開關損耗

• 熱管理仍具挑戰，損耗分佈雖與 NPC 不同，但仍非完全均衡，需要仔細的散熱設計

3. 三電平 ANPC (Active Neutral-Point Clamped) 結構

ANPC 可視為 NPC 與 T-Type 的折衷。它在 NPC 架構的基礎上，將中點二極體替換為「主動開關」，使電流在不同工作模式下可選擇最佳的導通路徑。

優點

• 均衡的損耗分佈：透過主動管理，可將熱均勻分佈各元件，進而允許系統採用更高的開關頻率、提升功率密度與可靠性

• 高效率與控制靈活性：可透過優化開關模式來最小化總損耗

缺點

• 複雜度與成本增加：每相需要六個主動開關，且控制演算法更為複雜，增加了系統的總體成本與設計難度

表一、三種架構的比較表

架構	NPC	T-Type	ANPC
優勢	架構簡單、技術成熟、成本效益高	高效率、低導通損耗	損耗分佈均衡、性能卓越
劣勢	元件間損耗分佈不均	主開關的開關損耗較高	複雜度與元件成本較高
開關耗損	集中在內側開關	集中在外側開關	可在所有元件間主動平衡
控制複雜度	低	中	高
適用場合	對成本敏感的高壓應用	注重高效率的中低壓系統	高功率密度、高性能要求的系統

結論

三電平逆變器的出現，成功克服了二電平架構在高壓與高功率應用中的限制，成為重要的解決方案。

• NPC：經典穩定，仍是高壓應用的主流，但受限於二極體損耗與中點平衡

• T-Type：針對中低壓應用提供高效率與簡潔設計，但不適合超高壓領域

• ANPC：兼顧效率與靈活性，逐漸成為電動車與能源應用的熱門選擇

  
  

隨著功率元件技術的成熟，三電平逆變器的應用將更加廣泛。對於馬達應用而言，如何在不同架構間取得「效率、可靠度、成本」的平衡，將是工程師選擇合適拓撲時的關鍵考量。

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