电动汽车（EV）的驱动电机通常需要由频率与转速成正比的正弦三相交流电供电，而实现这一目标的主流方法是采用三相半桥电压源逆变器（VSI）。在这种拓扑结构中，每个桥臂开关可以将输出端（即电机相绕组）连接到电压源的正极或负极（通常为电池的正负极，记为+Vbatt和-Vbatt）。由于同时关闭或同时开启两个开关会导致无效或破坏性结果，这种逆变器被称为“2级”逆变器。
2级逆变器在基频下输出的波形为方波。虽然方波可以驱动交流电机，但其高谐波含量会导致电机发热增加、最大扭矩降低以及振动加剧。传统的谐波抑制方法是通过脉宽调制（PWM）将每个输出脉冲切割为多个片段，并按正弦规律调制其占空比。电机绕组的电感将这些脉冲电压波形积分成正弦电流，从而改善扭矩、振动和损耗。PWM频率越高，电流波形的总谐波失真（THD）越低，但这一优势并非无限。
提高PWM频率的首要障碍是开关损耗的增加。开关在过渡期间（开启或关闭）会像电阻一样工作，导致损耗随频率上升而增加。尽管采用碳化硅（SiC）MOSFET和氮化镓（GaN）HEMT等高速开关技术可以缩短开关时间，但过高的电压变化率（dV/dt）会产生严重的射频（RF）噪声，并导致共模电流，损害电机绕组的绝缘和轴承。例如，10纳秒的开关时间会产生高达35 MHz的RF噪声。
为了在不降低开关速度的情况下软化过渡过程，可以在逆变器输出端添加LC低通滤波器。将滤波器的截止频率设置为开关带宽的十分之一（如3.5 MHz）能有效抑制RF噪声，但对共模电流的改善有限。若要将电压波形完全平滑为正弦波，需要更低的截止频率，但这会显著增加滤波器的体积和成本，并可能干扰矢量控制。
多级逆变器（MLI）是另一种降低THD和共模电流的方法。与2级逆变器相比，3级和5级MLI生成的电压波形更接近正弦波，且每个PWM脉冲的电压摆幅更小（3级为Vbatt/2，5级为Vbatt/4）。然而，MLI的复杂性和成本显著增加，尤其是需要额外的电压源或电容分压器来生成多级电压。
电容分压器是实现多级电压的简单方法。例如，两个等值电容串联可将总线电压平分，中点作为3级MLI的0 V参考点。增加电容对可以扩展为更多电压等级（如5级MLI需要4个电容）。然而，这些电容需要承受较大的纹波电流，因此需要高容量和低损耗的薄膜电容，增加了成本和体积。
中性点钳位（NPC）和飞跨电容（FC）是两种经典的3级MLI拓扑。NPC通过钳位二极管生成0 V电平，而FC通过飞跨电容间接实现。NPC控制简单，但电容电压波动较大；FC能实现更低的THD，但控制复杂且启动时需预充电。为了解决电容电荷平衡问题，主动中性点钳位（ANPC）和T型MLI被提出。ANPC用开关替代钳位二极管，通过调节开关导通时间优化电荷平衡；T型MLI采用双向开关直接连接中点，减少了开关数量，但要求开关能承受全电池电压。
尽管MLI在降低谐波和噪声方面具有优势，但其复杂的结构、高昂的开发成本以及庞大的电容体积限制了其在EV中的应用。相比之下，2级VSI通过添加LC滤波器也能显著降低RF噪声和共模电流，因此在EV中推广MLI仍面临巨大挑战。
总之，多级逆变器在性能上具有潜力，但其复杂性和成本问题使其在电动汽车领域的应用仍需权衡。未来随着技术的发展和成本的降低，MLI可能会成为更可行的选择，但目前2级VSI加滤波器的方案仍是主流。
