1.1 常见2电平拓扑和3电平拓扑

2电平（2 level，2L）拓扑是将直流正（DC+）或者直流负（DC-）切换至交流端子，最常见的2电平拓扑包括半桥，全桥（H桥）和三相全桥等，如下图所示。

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3电平（3 level，3L）拓扑则是将交流端连接至DC+，DC-或者中点N，N（中性点）是DC＋与DC－之间的中点电压，它构成了第三个电平电压——这也是“三电平拓扑”名称的由来。

3电平逆变器中最常见的拓扑代表包括中性点钳位NPC（Neutral Point Clampled）3电平，T型中性点钳位TNPC（T-type Neutral Point Clamped）3电平，和有源中性点钳位ANPC（Active Neutral Point Clamped）3电平，如下图所示，实际需要根据应用场景进行选择。

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1.2 两电平拓扑相电压和线电压

两电平拓扑的输出有两个电压电平，通常为 + Vdc（正直流电源电压）和 - Vdc（负直流电源电压）；这使得变换器能够在这两个电平之间切换输出，从而生成阶梯状的正弦波近似波形。

2电平拓扑的相电压和线电压及输出波形如下面两张图所示：

如下图所示为2电平拓扑的输出电压（线电压）和电流波形，其线电压波形（蓝色）只有2种电平，波形是“跳变式”的方波脉冲；而输出电流（红色）是正弦波，但是由于电压电平少，相比于3电平拓扑的电流输出波形，电流的纹波和谐波失真（THD）较高。

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由于在两个电压电平之间的突变转换，两电平变换器的输出波形含有较明显的谐波失真；对于敏感应用，需要额外的滤波来平滑波形。通常由于电压电平较少，会产生较高的谐波含量；高谐波含量可能导致电磁干扰（EMI）增强，可能需要更复杂的滤波系统。

两电平变换器中的开关器件通常承受更高的电压和电流，这可能导致应力增大和热量产生增加，因此可能需要更强大的冷却解决方案。

1.3 三电平拓扑相电压和线电压

三电平变换器在 + Vdc 和 - Vdc 的基础上，增加了一个额外的电压电平，通常为 0 伏（或接地）；这种结构能够更精细地近似交流正弦波，即通过更小的电压阶跃，改善了输出波形的质量。

3电平拓扑的相电压和线电压及输出波形如下面两张图所示：

如下图所示为3电平拓扑输出电压（线电压）和输出电流波形，输出电压波形（蓝色）中增加了中点N对应的0电平；输出电流（红色）波形相比于2电平更接近平滑的正弦曲线，纹波明显较小，THD更低，更符合电网对电能质量的要求。

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中间电压电平（0 伏）的加入有助于降低输出波形的谐波失真，使其更接近纯正弦波，这通常意味着滤波需求减少，在对波形质量敏感的应用中表现更出色。额外的电压电平有助于降低总谐波失真（THD），从而减少电磁干扰，滤波要求也可能相应降低；这在对电能质量敏感的应用中尤为有利。在电机控制的应用场景中，三电平拓扑可以将电机输入的总谐波失真（THD）降低至两电平的1/2。

由于存在中间电压电平，每个开关器件承受的电压应力得以降低，这有可能提高元件的效率和使用寿命。开关器件的电压波动更小，从而降低了整体应力。

02  3电平拓扑对功率器件影响

2.1 半导体器件（驱动芯片和电源）考量

以逆变器为例，3电平拓扑使得驱动板上的半导体用量，比如驱动芯片（Gate Driver）和驱动电源数量翻倍（随着功率管的增加而增加），每增加一个MOSFET管，对应的驱动芯片和电源都要增加一套。

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2.2 直流母线电容考量

3电平逆变器通常采用低压薄膜电容，受限于商用薄膜厚度，电容体积和成本要高于2电平逆变器，通过部分负载设计方案（比如轻负载用3电平，重负载切换2电平）可以最小化电容体积与成本权衡，兼顾效率和经济性。

如下图所示对比了3电平逆变器的直流母线电容设计，包含全负载3电平和部分负载3电平两种模式。 全负载3电平模式始终工作在3电平，C1和C2均采用低压薄膜电容，受商用电容薄膜厚度限制，厚度减少与电容耐压提升存在矛盾，因此电容体积和成本高于2电平逆变器；采用部分负载3电平模式，即根据工况在2电平和3电平间切换，总电容（Cdc，C1，C2）设计用于限制最坏工况下的直流母线电压纹波，由于3电平模式仅用于轻负载，C1和C2可以减少总电容占比，以平衡中点电压纹波与电容损耗，可以大幅度降低3电平拓扑在电容体积和成本上的权衡。

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2.3 3电平逆变器成本与系统复杂度影响

相对于2电平逆变器，3电平逆变器中由于功率管数量的增加，对应的驱动芯片和电源同比例增加，同时由于母线电容厚度的限制，使得电容体积和成本都要高于2电平逆变器；这些因素增加了逆变器设计的复杂性和成本。

03  3电平拓扑逆变器对电驱动性能影响

3.1 总谐波失真（THD）

三电平通过增加“0电平”使电压变化更平缓，减少对电机绕组的冲击，一方面降低THD（从两电平的10% - 15%降低至5% - 8%），减少电机铜损和铁损，提升驱动效率；另一方面降低电压变化率（du/dt），减少电机轴承的电蚀风险，延长使用寿命。

如下图所示，在2电平逆变器和T型中性点钳位3电平逆变器的THD测量结果，从数据中可以看出，三电平TNPC的THD比2电平降低了一半，充分说明了3电平在抑制谐波方面的优势。

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3.2 NVH影响

3电平拓扑相对于2电平可以减小THD，因此会有更低的电流纹波，因此可以减少谐波对电机的激励，降低电机噪声与振动。如下图所示，对比2电平和3电平逆变器驱动电机的噪声水平，在相同工况（1000-4000rpm，不同转矩）下，3电平的NVH表现会比2电平性能提升超过25%。

来源：Hofer

电机NVH的主要来源之一就是谐波电流产生的脉动转矩，通过三电平拓扑降低THD后，脉动转矩幅度减小，进而减少电机转子与定子间的机械振动，最终降低噪声；三电平拓扑25%的NVH提升可以减少车内噪声2-3分贝，无需额外增加隔音材料，兼顾舒适性与整车轻量化。

3.3 轴电压与轴承寿命

电机轴电压来自于逆变器输出的共模电压，这个电压会在轴承内外圈形成电场，在一些工况下会击穿润滑油膜，电蚀轴承，缩短轴承寿命。

如下图中左图所示，2电平拓扑（B6C）和2电平拓扑（NPC）的电机电流相比，B6C拓扑的电流纹波明显大于NPC拓扑，在右图的逆变器电流中也呈现出相同的现象，说明NPC拓扑的电流稳定性更优；而电机电流（左侧）的波动范围（±40A）大于逆变器电流（右图）中的波动范围（±20A），是由于电机侧电流包含了负载特性，因此波动范围更广。

来源：Hofer

如下图所示，相同轴承在2电平逆变器应用中，电机轴承在5000小时左右运行后磨损严重；而在3电平逆变器中，相同时间内磨损显著减轻。

来源：Hofer

3电平拓扑通过降低共模电压（从两电平的Vdc/2降低至Vdc/6-Vdc/3），能够从根源上减少轴电压，避免电蚀；相比当前在2电平应用中加装绝缘轴承等被动防护措施，可靠性更高。对于商用车电机，年均运行时间可达8000-10000小时，轴承寿命直接影响运维成本，3电平拓扑可以将轴承寿命延长50%以上，降低全生命周期成本，尤其适合重卡，客车等高频使用场景。

3.4 EMC影响

EMC电磁辐射主要源于电流电压的突变（高du/dt，di/dt），3电平拓扑的电压变化幅度仅为2电平的1/2（从Vdc降低为Vdc/2），因此du/dt降低50%，可以减少高频噪声的产生；同时共模电流减小，可以降低对周边电子设备（如车载雷达，中控系统）的干扰。

如下图所示为采用不同功率器件模组的逆变器样机（400V硅基两电平，800V硅基两电平，800V SiC两电平，800V NPC三电平）EMC测试结果，从图中可以看出，在1MHz~150MHz频段，样机4（三电平）的共模（CM）和差模（DM）电磁辐射值均低于其他三款两电平样机，尤其是在10MHz以上高频段，其优势更加显著。

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3电平拓扑天生具有更优的EMC性能，相比2电平可以减少EMC滤波器的体积和成本。EMC滤波器占逆变器体积的10%~15%，三电平拓扑可以将滤波元件（如电感，电容）的参数降低30%~50%，实现逆变器小型化。

3.5 系统效率影响

WLTP测试循环工况以中低速，低负载为主，传统2电平逆变器在低负载时开关损耗占比高（可达总损耗的60%），而3电平拓扑通过优化调制策略，可以将负载开关损耗降低20%-30%，直接提升WLTP能耗表现；同时3电平拓扑还可以通过灵活的电平转换，在低负载时以低开关频率运行（减少损耗），高负载时以高开关频率运行（保证输出精度），实现全工况效率平衡。

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从电机损耗角度，如下图所示，在WLTP工况覆盖的转速（500~4000rpm）与转矩（50~300Nm）范围内，3电平拓扑的电机损耗比2电平降低0.02%~27.69%，其中低负载区域（转矩＜100Nm）损耗降低幅度最大（10%~27%）。

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如下图所示，在三种不同逆变器配置类型（2电平IGBT，3电平IGBT和3电平SiC）下，整车损耗，逆变器损耗，电机损耗和减速器损耗的比较值；从图中可以看出，3电平拓扑可以实现2.4%的WLTP续航提升，若结合SiC材料优化软硬件，续航提升可达4%（参考车型为J级低端车型，重量为1980kg，最高车速210km/h）

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3电平拓扑通过降低电机损耗（谐波减少）和逆变器开关损耗，将低负载区域总损耗降低10%~27%，从而可以直接转化为续航提升；如果使用基于第三代款禁带半导体SiC，3电平+SiC方案相比于3电平+IGBT，逆变器损耗从13.9Wh/km降低至13.0Wh/km，电机损耗从9.1Wh/km降低至7.6Wh/km，体现了拓扑优化+材料升级的协同效应，是未来高端车型的主流技术方向。

04  总结

从两电平到三电平，是电驱逆变器架构的一次关键代际升级。三电平通过在 +Vdc 与 −Vdc 之间加入 0 电平，使输出电压阶跃显著变小，直接带来谐波降低、共模电压减少、电流纹波减小等一系列系统性优势。其对电机铜损、铁损、轴承寿命、NVH 表现、EMC 以及 WLTP 低负载效率均产生显著改善，在电驱性能上形成跨代差异。

在功率器件层面，三电平会带来更多的开关器件、驱动板与电容体积需求，使设计复杂度与成本提升。但随着 SiC 器件普及、小型化电容技术成熟、部分负载三电平策略的应用，这些代价正逐步被工程手段“摊薄”，避免了传统印象中“三电平成本过高”的限制。

从实际测试数据来看，三电平可将 THD 降低 40%–50%，电机 NVH 降低 25% 以上，轴承寿命提升 50% 以上，EMC 滤波规模降低 30%–50%，WLTP 续航提升约 2.4%–4%。这些结果充分说明三电平不仅是“更好”，而是“在关键指标上全面优于两电平”。

如下图所示为2电平拓扑和3电平拓扑性能比较的总结。

总体而言，三电平尤其适用于800V 平台、高性能乘用车、重卡/客车等高运行时长场景。随着 SiC 成本继续下降，三电平将成为下一代电驱逆变器的主流架构路线，而两电平将在中低端车型中逐步固化为成本型方案。需要说明的是，3电平拓扑不仅适用于永磁同步电机，同样也适用于感应电机驱动。

来源：MITSUBISHI ELECTRIC