近日，清華大學電氣工程系釋出了題為《适用于超高速PMSM電機的新型三電平SSNPC拓撲》的文獻，文獻指出這種SSNPC拓撲有望将基于全SiC的空壓機逆變器成本降低10%-15%。
據推算，相比傳統SNPC拓撲，SSNPC新拓撲最高可降空壓機逆變器成本降低430元左右。
2L逆變器難點：
IGBT效率低、SiC成本高
在超高速（UHS）電機應用中，通常使用成本較低的兩電平（2L）逆變器拓撲，其中矽基IGBT方案已經越來越不适用。
以氫燃料車輛為例，它通常需要高能效的渦輪壓縮機控制技術。超高速（UHS）電機通常用于渦輪壓縮機，其轉速通常超過90 krpm，這就需要永磁同步電機 (PMSM)，因為它的效率、功率體積比和機械特性更好。
但是，由于高速PMSM電機的匝數有限，産生的電感通常非常小，如果繼續采用中等開關頻率（8-20 kHz）的傳統兩電平（2L）逆變器，則相電流的電流紋波會變得非常高，而且也大大降低了無傳感器控制系統的整體性能和穩定性。
許多研究表明，為了實作燃料電池系統中空氣渦輪壓縮機所需的控制性能，傳統2L逆變器應當使用65-100kHz的開關頻率。盡管IGBT具有更好的電磁幹擾 (EMI) 特性、成本也更低，但是IGBT器件的開關頻率受限，其硬開關最大開關頻率僅為30 kHz左右，而且當IGBT的開關頻率超過20 kHz時，其效率就顯著下降。
而相比之下，SiC逆變器在高開關頻率下僅表現出很小的效率差異，是以如果采用2L拓撲逆變器，寬禁帶器件是唯一的可行選擇。
但是，2L逆變器即使是使用寬禁帶器件也無法實作最佳效率特性。研究表明，為了使全SiC 2L 逆變器在2000 Hz基頻下達到97%的效率，需要并聯4顆SiC MOSFET，這顯然增加了逆變器的設計成本。
3L逆變器難點：
IGBT、SiC器件成本過高
為了降低開關頻率，同時提高逆變器效率，UHS 驅動應用廣泛關注的拓撲類型是三電平（3L）中性點鉗位 (NPC) 拓撲。
研究發現，全IGBT 3L NPC方案的效率全IGBT 2L方案更高，甚至比全SiC 2L逆變器的效率還高。但為了産生3L電壓輸出，3L全IGBT拓撲需要的開關器件比2L拓撲多更多——12顆IGBT+6顆二極管，這在所有方案中成本是最高的。
為了解決這個問題，業界提出了3L“Sparse NPC（SNPC）”拓撲，這種方案隻需要10顆SiC MOSFET，成本相對低廉，其效率也高于全IGBT 3L NPC方案。
但為了進一步降低全SiC 3L逆變器的成本，清華大學團隊提出了一種新的拓撲——3L簡化SNPC (SSNPC) 拓撲。
3L SSNPC拓撲：
可降SiC成本降低15%
根據文獻内容，清華大學提出的為SSNPC圖檔如下圖所示：
SSNPC拓撲示意圖
在之前的所有 3L 拓撲中，3L SNPC（全SiC）方案成本是最低的。但是，新的SSNPC可以系統成本降低360-430元人民币，與SNPC逆變器（全SiC）相比，成本降低了10%—15%，而且整體效率差異極小（約0.05%）：
- 與傳統SNPC拓撲相比，SSNPC内部的2顆SiC MOSFET被2顆SiC二極管取代，雖然總體SiC器件還是10顆，但二極管更便宜——大約減少16.82美元（大約121元人民币）。
- 減少2顆SiC MOSFET，可以減少2個驅動電路成本，約244-316元人民币。
同時，由于減少了驅動電路，SSNPC系統也變得更加緊湊，下圖a為3L SSNPC逆變器；圖b為2L全SiC逆變器（65kHz）；圖c為2L全SiC逆變器（100 kHz）；圖d為3L NPC全IGBT逆變器（32 kHz）。
這種新拓撲的其他好處還包括：
- SSNPC拓撲可完全消除3L矩陣中的死區時間，這一特殊功能對于UHS電機驅動器非常有吸引力，因為它大幅降低了高開關頻率下死區時間補償方法的複雜性。
- SSNPC拓撲具有獨特的控制政策，在電動模式下它作為 3L 逆變器工作，在發電模式下又可以作為 2L 逆變器工作。
SSNPC拓撲的2種工作模式
來源：行家說三代半
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