基于人工智能的软开关减少损耗以扩展电动汽车的续航里程

在汽车领域，对电动汽车效率的研究主要集中在电池自主性以及逆变器和电动机的效率上。严格的汽车安全和质量标准正在引导技术创新，以最大限度地提高电动汽车 (EV) 的效率和自主性，同时最大限度地减少电池尺寸和重量并降低成本。人工智能 (AI) 正在为推动电动汽车的自主性和效率提供重要支持，包括努力消除开关损耗以确保快速晶体管换向。

功能规格和设计方面

在逻辑级，晶体管是简单的三引脚开关，其中当晶体管导通或关断时将电压或电流施加到第三个引脚会改变晶体管的状态，但这种转变不是瞬时的。晶体管完成转换所需的时间称为开关损耗。开关损耗浪费能源，是造成电源转换器损耗的主要因素。每个晶体管的开关损耗量因晶体管类型、制造商和工作电压而异。一般来说，可以处理更高电压的晶体管具有更高的开关损耗。

在电力电子领域，研究旨在可靠且经济地降低开关和传导损耗。设置和调整开关频率的能力在 DC/AC 和 AC/DC 电源转换应用中尤为重要。在这里，逆变器的有限开关频率会使输出功率的正弦波失真，从而导致电机过度低效。最小化开关损耗可以显着提高效率、尺寸、性能和可靠性。因此，对于所有需要低噪声水平的应用，调整开关频率可以降低电机产生的噪声。此参数可在 1 至 16 kHz 范围内调整，其调制是必要的，以避免出现共振现象。

为了降低噪声，提高开关频率很重要。8 至 12 kHz 范围内的频率允许逆变器在低噪声模式下运行。使用高开关频率，可以获得更好的电流波形，但需要在更高的逆变器开关损耗和更多的电磁兼容性 (EMC) 干扰之间进行权衡。开关频率越低，电机的噪音越大。越来越多的创新拓扑和半导体材料，例如最新一代的硅 IGBT 和 MOSFET 沟槽设计以及更快的碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) MOSFET，已被用于缩短开关时间。但由此产生的更高水平的 dV/dt（电压随时间变化的速率）和电磁干扰 (EMI) 一直是大规模采用的障碍。

硬、软和预切换方法

硬开关通过向第三个引脚添加电流或电压来强制开启和关闭晶体管，以启用更改后的状态。硬开关被认为是低成本的，因为只需要有限数量的其他组件来驱动状态之间的晶体管，但实际上这种方法在系统级别上很昂贵并且效率低下。
硬开关有许多众所周知的缺点，但最大的缺点是引入了开关损耗。使用硬开关的电源转换器需要在市场对更高开关频率的需求与控制系统损耗以满足所需系统效率的需求之间取得平衡。硬开关人为地限制了晶体管可以换向的最大开关频率。它会产生 EMI，从而增加系统成本。

软切换是另一种方法。在自谐振软开关中，自振荡电路用于精确计时晶体管换向，从而导致电流和电压波形的偏移。自谐振软开关拓扑的好处是消除了开关损耗、提高了效率和降低了 EMI。主要缺点是自谐振软开关架构仅在输入电压和输出负载保持在较窄范围内时才适用于非隔离电源转换器。

强制谐振软开关具有与自谐振软开关相同的优点。但是传统的强制谐振方法在计算上具有挑战性且繁琐，并且其在不同输入条件和负载范围内的适应性有限。

Pre-Switch Inc. 设计了一种基于称为 Pre-Flex 的嵌入式 AI 集成电路的替代方法，该方法可精确控制和调整非常小且低成本的谐振电路的时序，以确保开关设备的电流和电压的重叠最小波形。Pre-Flex IC 逐周期学习和适应电路内的情况，以保证最佳软开关。无论输入电压、输出负载、系统温度和制造公差如何变化，Pre-Flex 都会将每个晶体管锁定到强制谐振软开关状态。据 Pre-Switch 称，Pre-Flex 驱动的强制谐振技术已被证明可消除 70% 至 95% 的总开关损耗。该技术还降低了 EMI，因为在晶体管换向期间几乎没有辐射功率。更远，

该方法使用环绕开关晶体管的辅助谐振电路，以在几乎任何电源转换器拓扑中实现软开关。Pre-Switch 的辅助谐振电路（包括 Pre-Flex IC）所需的功率占节省的总开关损耗的 1% 到 4%（图 1）。

图 1：Pre-Flex AI 是 Pre-Switch 架构的核心。

Pre-Switch 报告称，该技术已用于以超过 100 kHz 的频率切换 600-V IGBT 和以 1 MHz 的频率切换 900-V SiC 晶体管，并具有前所未有的系统效率。该公司表示，相对于系统级节省而言，添加其辅助谐振电路和 Pre-Flex IC 的成本微不足道，这主要源于实际上消除了开关损耗，但通过降低 EMI 和可调 dV/dt 得到了增强。

碳化硅逆变器评估系统

Pre-Switch 的 CleanWave 200 kW 碳化硅汽车逆变器评估系统让电源设计工程师能够研究公司软开关架构和平台在不同负载、温度、设备容差和操作环境条件下的准确性。

高开关频率还降低了电机铜损和铁损。对于电动汽车，这种减少意味着两次充电之间的行驶里程增加了 5% 到 12%。以前，逆变器的有限开关频率会导致输出功率正弦波失真，从而导致电机过度低效。CleanWave 逆变器评估系统的 AI 不断调整开关系统内的时序条件，以强制谐振以抵消电流和电压波形。这最大限度地减少了开关损耗，在更高的开关频率下实现了阶跃功能，并提高了逆变器效率。结果是电机的“清洁波”电流波形提高了低扭矩效率并增加了 EV 范围。

审核编辑：郭婷