本文討論了Pre-Switch的CleanWave評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)演示了Pre-Switch技術(shù)如何使設(shè)計(jì)人員在200kW EV逆變器中以100 kHz的頻率實(shí)現(xiàn)99.1％的效率，從而將EV范圍提高多達(dá)12％。

讓我們從討論傳動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)損失開始。顯然，要擴(kuò)大電動(dòng)汽車的行駛里程，就需要同時(shí)提高電動(dòng)機(jī)效率和逆變器效率。直到約50 mph時(shí)，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗才是大多數(shù)EV損耗的主要控制點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)阻逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，傳動(dòng)系統(tǒng)損耗在EV的所有損耗中占最大份額，因此至關(guān)重要的是，我們要同時(shí)解決逆變器和電動(dòng)機(jī)的問題。如果我們可以將電動(dòng)機(jī)制造商和逆變器制造商放到同一房間，直接談?wù)撓到y(tǒng)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，我們就可以實(shí)現(xiàn)EV范圍的顯著改善。

盡管電機(jī)制造商可以引用高效率數(shù)字，但這通常隱藏了一個(gè)問題。車輛制造時(shí)提供了很大的扭矩來加速行駛-遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了巡航所需的大部分時(shí)間。當(dāng)以低扭矩水平巡航時(shí)，提供高效的電動(dòng)機(jī)和逆變器具有挑戰(zhàn)性。思考它的另一種方法是速度。當(dāng)電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)未達(dá)到峰值效率時(shí)，車輛的絕大部分運(yùn)轉(zhuǎn)將以低于60 mph的速度進(jìn)行-達(dá)到最大扭矩的3-5％。

如今，在開關(guān)損耗和更高的電機(jī)效率之間進(jìn)行了權(quán)衡。電動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗隨開關(guān)頻率的增加而降低，但逆變器損耗卻增加。盡管碳化硅通過減少逆變器損耗幫助實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，但它并沒有真正改變平衡。因此，盡管可以通過以更快的開關(guān)頻率運(yùn)行來降低電機(jī)損耗，但大多數(shù)逆變器制造商仍以約10 kHz的頻率運(yùn)行其碳化硅FET。可悲的是，解決方案不只是簡(jiǎn)單地以較高的開關(guān)頻率進(jìn)行開關(guān)。更快的開關(guān)速度會(huì)帶來更高的開關(guān)損耗，從而降低逆變器效率。同樣，如果您想嘗試更快地切換并保持較高的逆變器開關(guān)頻率，則需要添加更多的MOSFET來降低傳導(dǎo)損耗，以補(bǔ)償不斷增加的開關(guān)損耗。這導(dǎo)致逆變器成本，尺寸和重量增加。另一個(gè)問題是，如果處理不當(dāng)，SiC的晶體管邊緣速度更快會(huì)導(dǎo)致電機(jī)性能下降和滾珠軸承損壞。是的，您可以制造堅(jiān)固的電機(jī)，但這不可避免地要花錢。由于所有這些原因，開關(guān)速度已長(zhǎng)時(shí)間保持在5-15 kHz。

Pre-Switch通過將AI嵌入到FPGA中來解決這一挑戰(zhàn)，該FPGA用于精確控制輔助諧振晶體管的時(shí)序，如圖1所示為S1和S2。其結(jié)果是實(shí)際上消除了主要碳化硅工作中的所有開關(guān)損耗晶體管（Q1和Q2）。（對(duì)于硅IGBT，我們可以消除大約70-80％的損耗，但是本文將主要關(guān)注SiC）。獨(dú)特地，我們的AI消除了在環(huán)境，輸入電壓和負(fù)載條件不斷變化的整個(gè)范圍內(nèi)的開關(guān)損耗。

圖1：開關(guān)將AI嵌入到FPGA中，該FPGA精確控制輔助諧振晶體管S1和S2的時(shí)序

在每個(gè)開關(guān)周期，調(diào)整輔助諧振晶體管S1和S2的時(shí)序，以確保Q1和Q2的開關(guān)損耗實(shí)際上為零。在開關(guān)之間放置電容器時(shí)，預(yù)開關(guān)可減少SiC快速瞬態(tài)邊沿速度帶來的系統(tǒng)級(jí)問題，并且可以對(duì)其進(jìn)行編程以滿足應(yīng)用需求。此外，在每個(gè)開關(guān)周期中，Pre-Switch會(huì)基于對(duì)每個(gè)開關(guān)如何以及何時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的全面了解來計(jì)算，調(diào)整并最小化死區(qū)時(shí)間。這簡(jiǎn)化了控制。最后，由于Pre-Switch逐周期控制所有內(nèi)容，因此增強(qiáng)了系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，并最大程度地減少了故障響應(yīng)時(shí)間。系統(tǒng)級(jí)別的錯(cuò)誤從內(nèi)置的通信端口傳回主機(jī)。

為了演示該過程，讓我們看一下GIF（圖2），它顯示了20個(gè)不同的開關(guān)周期。在初始加電時(shí)以及隨后的前三個(gè)開關(guān)周期中，該算法開始學(xué)習(xí)過程，但輸出為系統(tǒng)可能處于任何狀況而準(zhǔn)備的諧振電流。然后在第4個(gè)在切換周期中，該算法會(huì)進(jìn)行首次AI預(yù)測(cè)的校正，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的軟切換。在這種情況下，請(qǐng)注意電感諧振電流（綠色）的大幅降低和優(yōu)化。展望未來，對(duì)于每個(gè)隨后的開關(guān)周期，該算法將獨(dú)立調(diào)整諧振電感器電流，以確保其短暫地在負(fù)載電流之上擺動(dòng)（以藍(lán)色顯示）。所有調(diào)整都足夠快，以確保在任何PWM輸入下都能進(jìn)行精確的軟切換，并可用于與DC-AC逆變器一起創(chuàng)建完美的正弦波。該系統(tǒng)還可以反向無縫運(yùn)行。

圖2：開關(guān)周期顯示了加電，算法學(xué)習(xí)過程以及正在進(jìn)行的更正以優(yōu)化軟開關(guān)

那么，我們?nèi)绾蜗_關(guān)損耗呢？圖3比較了使用傳統(tǒng)“硬”開關(guān)技術(shù)（3a）和“預(yù)開關(guān)”架構(gòu)（3b）的“開通”開關(guān)損耗。在3a中，我們看到一個(gè)800V輸入：一個(gè)開關(guān)已經(jīng)打開，電壓相應(yīng)下降，電流上升。波形之間的重疊（藍(lán)色和品紅色）是開關(guān)損耗。該圖還顯示了所消耗的總能量（在這種情況下為2.5 mJ）。在切換前解決方案（3b）中，轉(zhuǎn)換速度變慢，以確保電壓和電流波形不重疊，從而實(shí)際上消除了開關(guān)損耗。

圖3：使用“硬”開關(guān)技術(shù)（a）與預(yù)開關(guān)架構(gòu)（b）比較導(dǎo)通開關(guān)損耗

考慮到相同的關(guān)斷損耗曲線圖（圖4），重疊實(shí)際上很小，顯示出開關(guān)損耗大大降低，并且所消耗的能量很小– 0.013 mJ，而硬開關(guān)方法僅為1.25 mJ。另外，dV / dT也降低了。

盡管由于驅(qū)動(dòng)預(yù)切換解決方案所需的開銷（例如，給FPGA供電）會(huì)產(chǎn)生一些較小的能量損耗，但它們的影響很小，尤其是在考慮到同時(shí)運(yùn)行三個(gè)開關(guān)的系統(tǒng)級(jí)損耗時(shí)尤其如此。我們計(jì)算出，軟開關(guān)預(yù)開關(guān)解決方案所節(jié)省的能源至少為94％。

圖4：關(guān)閉損耗比較

隨著開關(guān)損耗的消除，出現(xiàn)了新的設(shè)計(jì)自由度。圖5使用來自Wolfspeed CAB450M12XM3電源模塊的數(shù)據(jù)，并顯示了流經(jīng)其設(shè)備的電流量。硬開關(guān)紅線表明，隨著模塊開關(guān)速度的加快，必須減少電流量。與“切換前”軟開關(guān)綠色曲線相比，我們發(fā)現(xiàn)，在開關(guān)頻率增加的情況下，實(shí)際上可以流經(jīng)同一器件的電流量并沒有減少。因此，可以將系統(tǒng)速度提高到100 kHz，而不是以10 kHz的速度運(yùn)行。這意味著逆變器效率更高，可以使用更小的晶體管，并且可以使輸出具有更少的電流紋波，這使得冷卻器更高效，冷卻成本更低。還，減少了振鈴和過沖，并最大程度地減少了軸承損壞的問題。但關(guān)鍵是，系統(tǒng)可以在預(yù)切換曲線上的任何位置運(yùn)行，從而提供了極大的設(shè)計(jì)靈活性。

圖5：預(yù)切換提供了設(shè)計(jì)靈活性

預(yù)切換的好處

大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都在看我們的強(qiáng)制諧振電路，并錯(cuò)誤地認(rèn)為，在工作半橋的中點(diǎn)處串聯(lián)增加的小半橋比原始的半橋解決方案昂貴。畢竟還有更多零件，對(duì)嗎？好吧，現(xiàn)實(shí)情況是，在強(qiáng)制諧振電路中增加的總芯片面積明顯小于通過消除工作晶體管中的開關(guān)損耗而節(jié)省的成本。讓我進(jìn)一步解釋。強(qiáng)制諧振開關(guān)通常僅占據(jù)工作半橋的裸片面積的25-33％，因?yàn)樗鼈儍H在占空比上明顯小于工作開關(guān)才能工作。（例如：在10kHz時(shí)為開關(guān)周期的0.5％，在100kHz時(shí)為開關(guān)周期的5％）。進(jìn)一步，諧振開關(guān)只需要主開關(guān)的一半的隔離電壓。現(xiàn)在，讓我們考慮一下在主要的SiC半橋中節(jié)省的成本。開關(guān)損耗的減少使主開關(guān)的裸片面積減小了33-50％，而輔助開關(guān)的電壓是其兩倍。然后，在電動(dòng)機(jī)或輸出濾波器中節(jié)省了10倍的較高開關(guān)頻率-天氣，從而節(jié)省了大量系統(tǒng)資源。最后，可節(jié)省大量系統(tǒng)級(jí)的冷卻，減輕重量，節(jié)省dV / dt并提高安全性。然后，在電動(dòng)機(jī)或輸出濾波器中節(jié)省了10倍的較高開關(guān)頻率-天氣，從而節(jié)省了大量系統(tǒng)資源。最后，可節(jié)省大量系統(tǒng)級(jí)的冷卻，減輕重量，節(jié)省dV / dt并提高安全性。然后，在電動(dòng)機(jī)或輸出濾波器中節(jié)省了10倍的較高開關(guān)頻率-天氣，從而節(jié)省了大量系統(tǒng)資源。最后，可節(jié)省大量系統(tǒng)級(jí)的冷卻，減輕重量，節(jié)省dV / dt并提高安全性。

考慮電動(dòng)機(jī)的好處時(shí)，硬開關(guān)逆變器總是會(huì)通過最小化開關(guān)頻率以保持較高的逆變器效率而受到損害。結(jié)果是大量的輸出紋波被電動(dòng)機(jī)濾除。與發(fā)送到電動(dòng)機(jī)的純正弦波的每一個(gè)偏差都是浪費(fèi)的能量，這種能量以在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生的感應(yīng)加熱器的形式表現(xiàn)出來。很明顯，這些熱量需要消散，這是另一項(xiàng)成本。開關(guān)頻率提高10到20倍后，Pre-Switch的CleanWave近乎完美的正弦波輸出可帶來更高的電機(jī)效率并減少電機(jī)所需的冷卻。

這一點(diǎn)的重要性如圖6所示。現(xiàn)在，逆變器的損耗不再增加，而是在整個(gè)開關(guān)頻率范圍內(nèi)得到了有效減小。電動(dòng)機(jī)損耗隨著頻率的增加而減少，最終結(jié)果是節(jié)省了大量的系統(tǒng)級(jí)電源。回到關(guān)于轉(zhuǎn)矩和最大電動(dòng)機(jī)效率的討論，當(dāng)采用Pre-Switch進(jìn)行100 kHz或更快的開關(guān)速度時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率在低轉(zhuǎn)矩和中低RPM時(shí)得到了最明顯的改善，這是大多數(shù)驅(qū)動(dòng)的地方。這就是我們將EV范圍提高5-12％的方式。

圖6：減少的總傳動(dòng)系統(tǒng)損失導(dǎo)致EV范圍增加了5-12％

結(jié)論與評(píng)價(jià)體系

總之，通過消除開關(guān)損耗，預(yù)開關(guān)可以在100 kHz或更高頻率下大幅提高逆變器和電機(jī)的效率。結(jié)果是預(yù)期的EV范圍增加了約5-12％；通過減少晶體管的數(shù)量以及減少冷卻需求，這可以實(shí)現(xiàn)成本更低的系統(tǒng)。當(dāng)然，通過提高電機(jī)效率，可以減小電池尺寸，這是一個(gè)巨大的好處，可以節(jié)省成本。預(yù)切換還通過降低dV / dT解決了電機(jī)難題，并節(jié)省了導(dǎo)致軸承性能下降的差分共模噪聲。最后，由于Pre-Switch會(huì)逐周期進(jìn)行調(diào)整，因此系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)中任何位置的故障做出快速反應(yīng)，從而提供卓越的安全性和保護(hù)功能。

CleanWave評(píng)估系統(tǒng)（現(xiàn)已交付給全球主要客戶）是一個(gè)200 kW的三相電源塊，運(yùn)行于100 kHz。它可以在5至100 kHz的任何開關(guān)頻率下運(yùn)行。效率為99％。

編輯：hfy