如何使设计人员在200kW EV逆变器增加EV范围

本文讨论 Pre-Switch 的CleanWave 评估系统，该系统展示了 Pre-Switch 技术如何使设计人员在 200kW EV 逆变器中在 100 kHz 下实现 99.1% 的效率，从而将 EV 范围增加多达 12%。

让我们从讨论动力传动系统和动力传动系统损失开始。显然，电动汽车要扩大其续航里程，需要同时提高电机效率和逆变器效率。直到大约 50 英里/小时，动力传动系统损失在大多数 EV 损失中占主导地位，此时风阻接管。但动力传动系统损失在电动汽车的所有损失中所占的份额最大，因此我们必须同时解决逆变器和电机问题。如果我们能让电机制造商和逆变器制造商共处一室，直接谈论系统级传动系统效率，我们就可以实现 EV 续航里程的显着提升。

虽然电机制造商可以引用高效率数字，但这通常隐藏了一个问题。车辆的设计目的是为加速提供大量扭矩——比巡航所需的扭矩要多得多，而巡航是大部分驾驶完成的地方。在低扭矩水平巡航时，提供高效电动机和逆变器具有挑战性。另一种思考方式是速度。当电机远未达到峰值效率时，绝大多数车辆的运行速度将低于 60 英里/小时——最大扭矩的 3-5%。

今天，需要在开关损耗和更高的电机效率之间进行权衡。电机传动系统损耗随着开关频率的增加而减少，但逆变器损耗会增加。虽然碳化硅通过减少逆变器损耗对此有所帮助，但它并没有真正改变平衡。因此，大多数逆变器制造商都以大约 10 kHz 的频率运行他们的碳化硅 FET，即使可以通过以更快的开关频率运行来减少电机损耗。遗憾的是，解决方案并不是简单地以更高的开关频率进行开关。更快的开关会导致更高的开关损耗，从而降低逆变器效率。此外，如果您想尝试更快地开关并保持逆变器开关频率较高，则需要添加更多 MOSFET 以降低导通损耗，以补偿增加的开关损耗。这导致逆变器成本、尺寸和重量增加。另一个问题是，如果处理不当，碳化硅更快的晶体管边缘速度会导致电机性能下降和滚珠轴承损坏。是的，您可以制造坚固耐用的电机，但这不可避免地要花钱。由于所有这些原因，开关速度长期以来一直被限制在 5-15 kHz。

Pre-Switch 通过将 AI 嵌入到 FPGA 中来解决这一挑战，该 FPGA 用于精确控制辅助谐振晶体管的时序，如图 1 中的 S1 和 S2 所示。结果是在主要碳化硅工作中几乎消除了所有开关损耗晶体管（Q1 和 Q2）。（对于硅 IGBT，我们可以消除大约 70-80% 的损耗，但本文将主要关注 SiC）。独一无二的是，我们的 AI 消除了整个范围内不断变化的环境、输入电压和负载条件的开关损耗。

图 1：Pre-Switch 将 AI 嵌入到 FPGA 中，该 FPGA 可精确控制辅助谐振晶体管 S1 和 S2 的时序

每个开关周期，辅助谐振晶体管 S1 和 S2 的时序都会调整以确保 Q1 和 Q2 的开关损耗几乎为零。在将电容器置于开关的过程中，Pre-Switch 减少了 SiC 快速瞬态边缘速度的系统级问题，并且可以对其进行编程以满足应用要求。此外，在每个开关周期中，Pre-Switch 会根据对每个开关转换方式和时间的全面了解来计算、调整和最小化死区时间。这简化了控制。最后，由于 Pre-Switch 以逐个周期为基础控制一切，因此增强了系统级保护并最大限度地缩短了故障反应时间。系统级错误从内置通信端口传回主机。

为了演示该过程，让我们看一下 GIF（图 2），其中显示了 20 个不同的开关周期。在初始加电时和随后的第一个3个开关周期期间，所述算法开始学习处理，但是，从4输出被用于系统可以在任何条件下制得的谐振电流，然后第切换周期，该算法进行优化软切换所需的第一个 AI 预测校正。在这种情况下，请注意电感谐振电流（绿色）的大幅减少和优化。展望未来，对于每个后续开关周期，算法将独立调整谐振电感器电流，以确保它会短暂摆动高于负载电流（以蓝色显示）。所有调整都足够快，以确保任何 PWM 输入的准确软开关，并可用于通过 DC-AC 逆变器创建完美的正弦波。该系统还可以无缝地反向工作。

图 2：开关周期显示加电、算法学习过程和优化软开关的持续修正

那么，我们如何消除开关损耗呢？图 3 比较了使用传统“硬”开关技术 (3a) 和预开关架构 (3b) 的开启开关损耗。在图 3a 中，我们看到一个 800V 输入：一个开关已打开，电压相应下降，电流上升。波形（蓝色和洋红色）之间的重叠是开关损耗。该图还显示了消耗的能量总量（在此测量情况下为 2.5 mJ）。在 Pre-Switch 解决方案 (3b) 中，过渡被减慢以确保电压和电流波形不重叠，从而实际上消除了开关损耗。

图 3：比较使用“硬”开关技术 (a) 与预开关架构 (b) 的开启开关损耗

考虑到相同的关断损耗图（图 4），重叠实际上最小，表明开关损耗大幅降低，并且消耗的能量很小——0.013 mJ，而硬开关方法为 1.25 mJ。此外，dV/dT 也降低了。

尽管由于驱动预开关解决方案所需的开销（例如为 FPGA 供电）而存在一些较小的能量损失，但它们是最小的，尤其是在考虑同时运行三个开关的系统级的损耗时。我们计算出软开关预开关解决方案带来的节能至少为 94%。

图 4：关断损耗比较

消除开关损耗带来了新的设计自由。图 5 使用来自 Wolfspeed CAB450M12XM3 电源模块的数据并显示流经其设备的电流量。硬开关红线表明，随着模块开关速度加快，电流量必须减少。与预开关软开关绿色曲线相比，我们看到可以通过同一器件的电流量几乎不会随着开关频率的增加而减少。因此，系统速度可以提高到 100 kHz，而不是以 10 kHz 运行。这意味着逆变器效率更高，可以使用更小的晶体管，并且可以使输出的电流纹波显着减少，从而使电机温度更低，效率更高，冷却成本更低。还，振铃和超调减少，轴承损坏问题最小化。但关键是系统可以在 Pre-Switch 曲线上的任何位置运行，从而提供巨大的设计灵活性。

图 5：预开关提供设计灵活性

预切换的好处

大多数设计人员在查看我们的强制谐振电路时，错误地认为与工作半桥的中点串联添加的小半桥比原来的半桥解决方案更昂贵。毕竟，还有更多的部分，对吗？好吧，现实情况是，在强制谐振电路中添加的总芯片面积比消除工作晶体管中的开关损耗所节省的面积要小得多。让我进一步解释一下。强制谐振开关通常只占工作半桥芯片面积的 25-33%，因为它们的工作占空比明显小于工作开关。（例如：10kHz 时开关周期的 0.5% 和 100kHz 时开关周期的 5%）。更远，谐振开关只需要主开关隔离电压的一半。现在让我们考虑主要 SiC 半桥的节省。开关损耗的降低使主开关的管芯面积减少了 33-50%，而辅助开关的电压是辅助开关的两倍。然后是与 10 倍更高的开关频率相关的大量系统节省 - 电机中的天气或输出滤波器的节省。最后，还有显着的系统级冷却节省、重量减轻、dV/dt 节省和安全性改进。然后是与 10 倍更高的开关频率相关的大量系统节省 - 电机中的天气或输出滤波器的节省。最后，还有显着的系统级冷却节省、重量减轻、dV/dt 节省和安全性改进。然后是与 10 倍更高的开关频率相关的大量系统节省 - 电机中的天气或输出滤波器的节省。最后，还有显着的系统级冷却节省、重量减轻、dV/dt 节省和安全性改进。

在考虑电机优势时，硬开关逆变器总是会因最小化开关频率以保持逆变器效率高的做法而受到损害。结果是大量的输出纹波被电机过滤掉。发送到电机的纯正弦波的每一次偏差都是能源浪费，这表现为电机内部发生的感应加热器。这种热量显然需要散掉，这又是一个成本。Pre-Switch 的 CleanWave 近乎完美的正弦波输出源于 10-20 倍的开关频率增加，从而大大提高了电机效率并减少了电机所需的冷却。

这一点的重要性如图 6 所示。逆变器损耗没有增加，而是降低了，并且在整个开关频率范围内有效平坦。随着频率的增加，电机损耗会减少，最终结果是系统级的大量节省。回到我们关于扭矩和最大电机效率的讨论，当使用 Pre-Switch 以 100 kHz 和更快的频率进行切换时，电机效率在低扭矩和中低 RPM 下的改进最为显着——这是大多数驾驶完成的地方。这就是我们如何得出 EV 范围增加 5-12% 的结果。

图 6：减少的总传动系统损失导致 EV 续航里程增加 5-12%

结论与评价体系

总之，通过消除开关损耗，Pre-Switch 可以在 100 kHz 及以上频率下大幅提高逆变器和电机的效率。结果是预期的 EV 续航里程增加了约 5-12%；这通过减少晶体管的数量以及降低冷却要求来实现更低成本的系统。当然，通过提高电机效率，电池尺寸可以更小，这是一个巨大的好处和成本节约。Pre-Switch 还通过降低 dV/dT 和节省导致轴承退化的差分共模噪声来解决电机难题。最后，由于 Pre-Switch 在逐个周期的基础上进行调整，系统能够对系统中任何地方的故障做出非常快速的反应，从而提供卓越的安全性和保护。

审核编辑：郭婷