基于人工智能的軟開(kāi)關(guān)減少損耗以擴(kuò)展電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程

在汽車(chē)領(lǐng)域，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)效率的研究主要集中在電池自主性以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的效率上。嚴(yán)格的汽車(chē)安全和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)正在引導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新，以最大限度地提高電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的效率和自主性，同時(shí)最大限度地減少電池尺寸和重量并降低成本。人工智能 (AI) 正在為推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的自主性和效率提供重要支持，包括努力消除開(kāi)關(guān)損耗以確保快速晶體管換向。

功能規(guī)格和設(shè)計(jì)方面

在邏輯級(jí)，晶體管是簡(jiǎn)單的三引腳開(kāi)關(guān)，其中當(dāng)晶體管導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)將電壓或電流施加到第三個(gè)引腳會(huì)改變晶體管的狀態(tài)，但這種轉(zhuǎn)變不是瞬時(shí)的。晶體管完成轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱(chēng)為開(kāi)關(guān)損耗。開(kāi)關(guān)損耗浪費(fèi)能源，是造成電源轉(zhuǎn)換器損耗的主要因素。每個(gè)晶體管的開(kāi)關(guān)損耗量因晶體管類(lèi)型、制造商和工作電壓而異。一般來(lái)說(shuō)，可以處理更高電壓的晶體管具有更高的開(kāi)關(guān)損耗。

在電力電子領(lǐng)域，研究旨在可靠且經(jīng)濟(jì)地降低開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗。設(shè)置和調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率的能力在 DC/AC 和 AC/DC 電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中尤為重要。在這里，逆變器的有限開(kāi)關(guān)頻率會(huì)使輸出功率的正弦波失真，從而導(dǎo)致電機(jī)過(guò)度低效。最小化開(kāi)關(guān)損耗可以顯著提高效率、尺寸、性能和可靠性。因此，對(duì)于所有需要低噪聲水平的應(yīng)用，調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率可以降低電機(jī)產(chǎn)生的噪聲。此參數(shù)可在 1 至 16 kHz 范圍內(nèi)調(diào)整，其調(diào)制是必要的，以避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

為了降低噪聲，提高開(kāi)關(guān)頻率很重要。8 至 12 kHz 范圍內(nèi)的頻率允許逆變器在低噪聲模式下運(yùn)行。使用高開(kāi)關(guān)頻率，可以獲得更好的電流波形，但需要在更高的逆變器開(kāi)關(guān)損耗和更多的電磁兼容性 (EMC) 干擾之間進(jìn)行權(quán)衡。開(kāi)關(guān)頻率越低，電機(jī)的噪音越大。越來(lái)越多的創(chuàng)新拓?fù)浜?a target="_blank">半導(dǎo)體材料，例如最新一代的硅 IGBT 和 MOSFET 溝槽設(shè)計(jì)以及更快的碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) MOSFET，已被用于縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間。但由此產(chǎn)生的更高水平的 dV/dt（電壓隨時(shí)間變化的速率）和電磁干擾 (EMI) 一直是大規(guī)模采用的障礙。

硬、軟和預(yù)切換方法

硬開(kāi)關(guān)通過(guò)向第三個(gè)引腳添加電流或電壓來(lái)強(qiáng)制開(kāi)啟和關(guān)閉晶體管，以啟用更改后的狀態(tài)。硬開(kāi)關(guān)被認(rèn)為是低成本的，因?yàn)橹恍枰邢迶?shù)量的其他組件來(lái)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)之間的晶體管，但實(shí)際上這種方法在系統(tǒng)級(jí)別上很昂貴并且效率低下。
硬開(kāi)關(guān)有許多眾所周知的缺點(diǎn)，但最大的缺點(diǎn)是引入了開(kāi)關(guān)損耗。使用硬開(kāi)關(guān)的電源轉(zhuǎn)換器需要在市場(chǎng)對(duì)更高開(kāi)關(guān)頻率的需求與控制系統(tǒng)損耗以滿(mǎn)足所需系統(tǒng)效率的需求之間取得平衡。硬開(kāi)關(guān)人為地限制了晶體管可以換向的最大開(kāi)關(guān)頻率。它會(huì)產(chǎn)生 EMI，從而增加系統(tǒng)成本。

軟切換是另一種方法。在自諧振軟開(kāi)關(guān)中，自振蕩電路用于精確計(jì)時(shí)晶體管換向，從而導(dǎo)致電流和電壓波形的偏移。自諧振軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涞暮锰幨窍碎_(kāi)關(guān)損耗、提高了效率和降低了 EMI。主要缺點(diǎn)是自諧振軟開(kāi)關(guān)架構(gòu)僅在輸入電壓和輸出負(fù)載保持在較窄范圍內(nèi)時(shí)才適用于非隔離電源轉(zhuǎn)換器。

強(qiáng)制諧振軟開(kāi)關(guān)具有與自諧振軟開(kāi)關(guān)相同的優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)的強(qiáng)制諧振方法在計(jì)算上具有挑戰(zhàn)性且繁瑣，并且其在不同輸入條件和負(fù)載范圍內(nèi)的適應(yīng)性有限。

Pre-Switch Inc. 設(shè)計(jì)了一種基于稱(chēng)為 Pre-Flex 的嵌入式 AI 集成電路的替代方法，該方法可精確控制和調(diào)整非常小且低成本的諧振電路的時(shí)序，以確保開(kāi)關(guān)設(shè)備的電流和電壓的重疊最小波形。Pre-Flex IC 逐周期學(xué)習(xí)和適應(yīng)電路內(nèi)的情況，以保證最佳軟開(kāi)關(guān)。無(wú)論輸入電壓、輸出負(fù)載、系統(tǒng)溫度和制造公差如何變化，Pre-Flex 都會(huì)將每個(gè)晶體管鎖定到強(qiáng)制諧振軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。據(jù) Pre-Switch 稱(chēng)，Pre-Flex 驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)制諧振技術(shù)已被證明可消除 70% 至 95% 的總開(kāi)關(guān)損耗。該技術(shù)還降低了 EMI，因?yàn)樵诰w管換向期間幾乎沒(méi)有輻射功率。更遠(yuǎn)，

該方法使用環(huán)繞開(kāi)關(guān)晶體管的輔助諧振電路，以在幾乎任何電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。Pre-Switch 的輔助諧振電路（包括 Pre-Flex IC）所需的功率占節(jié)省的總開(kāi)關(guān)損耗的 1% 到 4%（圖 1）。

圖 1：Pre-Flex AI 是 Pre-Switch 架構(gòu)的核心。

Pre-Switch 報(bào)告稱(chēng)，該技術(shù)已用于以超過(guò) 100 kHz 的頻率切換 600-V IGBT 和以 1 MHz 的頻率切換 900-V SiC 晶體管，并具有前所未有的系統(tǒng)效率。該公司表示，相對(duì)于系統(tǒng)級(jí)節(jié)省而言，添加其輔助諧振電路和 Pre-Flex IC 的成本微不足道，這主要源于實(shí)際上消除了開(kāi)關(guān)損耗，但通過(guò)降低 EMI 和可調(diào) dV/dt 得到了增強(qiáng)。

碳化硅逆變器評(píng)估系統(tǒng)

Pre-Switch 的 CleanWave 200 kW 碳化硅汽車(chē)逆變器評(píng)估系統(tǒng)讓電源設(shè)計(jì)工程師能夠研究公司軟開(kāi)關(guān)架構(gòu)和平臺(tái)在不同負(fù)載、溫度、設(shè)備容差和操作環(huán)境條件下的準(zhǔn)確性。

高開(kāi)關(guān)頻率還降低了電機(jī)銅損和鐵損。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，這種減少意味著兩次充電之間的行駛里程增加了 5% 到 12%。以前，逆變器的有限開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致輸出功率正弦波失真，從而導(dǎo)致電機(jī)過(guò)度低效。CleanWave 逆變器評(píng)估系統(tǒng)的 AI 不斷調(diào)整開(kāi)關(guān)系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)序條件，以強(qiáng)制諧振以抵消電流和電壓波形。這最大限度地減少了開(kāi)關(guān)損耗，在更高的開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)了階躍功能，并提高了逆變器效率。結(jié)果是電機(jī)的“清潔波”電流波形提高了低扭矩效率并增加了 EV 范圍。

審核編輯：郭婷