在汽車領(lǐng)域，對電動汽車效率的研究主要集中在電池自主性以及逆變器和電動機的效率上。嚴格的汽車安全和質(zhì)量標準正在引導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新，以最大限度地提高電動汽車 (EV) 的效率和自主性，同時最大限度地減少電池尺寸和重量并降低成本。人工智能 (AI) 正在為推動電動汽車的自主性和效率提供重要支持，包括努力消除開關(guān)損耗以確?？焖?a target="_blank">晶體管換向。

功能規(guī)格和設(shè)計方面

在邏輯級，晶體管是簡單的三引腳開關(guān)，其中當晶體管導(dǎo)通或關(guān)斷時將電壓或電流施加到第三個引腳會改變晶體管的狀態(tài)，但這種轉(zhuǎn)變不是瞬時的。晶體管完成轉(zhuǎn)換所需的時間稱為開關(guān)損耗。開關(guān)損耗浪費能源，是造成電源轉(zhuǎn)換器損耗的主要因素。每個晶體管的開關(guān)損耗量因晶體管類型、制造商和工作電壓而異。一般來說，可以處理更高電壓的晶體管具有更高的開關(guān)損耗。

在電力電子領(lǐng)域，研究旨在可靠且經(jīng)濟地降低開關(guān)和傳導(dǎo)損耗。設(shè)置和調(diào)整開關(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，逆變器的有限開關(guān)頻率會使輸出功率的正弦波失真，從而導(dǎo)致電機過度低效。最小化開關(guān)損耗可以顯著提高效率、尺寸、性能和可靠性。因此，對于所有需要低噪聲水平的應(yīng)用，調(diào)整開關(guān)頻率可以降低電機產(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行。使用高開關(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關(guān)損耗和更多的電磁兼容性 (EMC) 干擾之間進行權(quán)衡。開關(guān)頻率越低，電機的噪音越大。越來越多的創(chuàng)新拓撲和半導(dǎo)體材料，例如最新一代的硅 IGBT 和 MOSFET 溝槽設(shè)計以及更快的碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) MOSFET，已被用于縮短開關(guān)時間。但由此產(chǎn)生的更高水平的 dV/dt（電壓隨時間變化的速率）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

硬開關(guān)通過向第三個引腳添加電流或電壓來強制開啟和關(guān)閉晶體管，以啟用更改后的狀態(tài)。硬開關(guān)被認為是低成本的，因為只需要有限數(shù)量的其他組件來驅(qū)動狀態(tài)之間的晶體管，但實際上這種方法在系統(tǒng)級別上很昂貴并且效率低下。
硬開關(guān)有許多眾所周知的缺點，但最大的缺點是引入了開關(guān)損耗。使用硬開關(guān)的電源轉(zhuǎn)換器需要在市場對更高開關(guān)頻率的需求與控制系統(tǒng)損耗以滿足所需系統(tǒng)效率的需求之間取得平衡。硬開關(guān)人為地限制了晶體管可以換向的最大開關(guān)頻率。它會產(chǎn)生 EMI，從而增加系統(tǒng)成本。

軟切換是另一種方法。在自諧振軟開關(guān)中，自振蕩電路用于精確計時晶體管換向，從而導(dǎo)致電流和電壓波形的偏移。自諧振軟開關(guān)拓撲的好處是消除了開關(guān)損耗、提高了效率和降低了 EMI。主要缺點是自諧振軟開關(guān)架構(gòu)僅在輸入電壓和輸出負載保持在較窄范圍內(nèi)時才適用于非隔離電源轉(zhuǎn)換器。

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

Pre-Switch Inc. 設(shè)計了一種基于稱為 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序，以確保開關(guān)設(shè)備的電流和電壓的重疊最小波形。Pre-Flex IC 逐周期學習和適應(yīng)電路內(nèi)的情況，以保證最佳軟開關(guān)。無論輸入電壓、輸出負載、系統(tǒng)溫度和制造公差如何變化，Pre-Flex 都會將每個晶體管鎖定到強制諧振軟開關(guān)狀態(tài)。據(jù) Pre-Switch 稱，Pre-Flex 驅(qū)動的強制諧振技術(shù)已被證明可消除 70% 至 95% 的總開關(guān)損耗。該技術(shù)還降低了 EMI，因為在晶體管換向期間幾乎沒有輻射功率。更遠，

該方法使用環(huán)繞開關(guān)晶體管的輔助諧振電路，以在幾乎任何電源轉(zhuǎn)換器拓撲中實現(xiàn)軟開關(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 報告稱，該技術(shù)已用于以超過 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，相對于系統(tǒng)級節(jié)省而言，添加其輔助諧振電路和 Pre-Flex IC 的成本微不足道，這主要源于實際上消除了開關(guān)損耗，但通過降低 EMI 和可調(diào) dV/dt 得到了增強。

碳化硅逆變器評估系統(tǒng)

Pre-Switch 的 CleanWave 200 kW 碳化硅汽車逆變器評估系統(tǒng)讓電源設(shè)計工程師能夠研究公司軟開關(guān)架構(gòu)和平臺在不同負載、溫度、設(shè)備容差和操作環(huán)境條件下的準確性。

高開關(guān)頻率還降低了電機銅損和鐵損。對于電動汽車，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，逆變器的有限開關(guān)頻率會導(dǎo)致輸出功率正弦波失真，從而導(dǎo)致電機過度低效。CleanWave 逆變器評估系統(tǒng)的 AI 不斷調(diào)整開關(guān)系統(tǒng)內(nèi)的時序條件，以強制諧振以抵消電流和電壓波形。這最大限度地減少了開關(guān)損耗，在更高的開關(guān)頻率下實現(xiàn)了階躍功能，并提高了逆變器效率。結(jié)果是電機的“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