如何使設(shè)計(jì)人員在200kW EV逆變器增加EV范圍

本文討論 Pre-Switch 的CleanWave 評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)展示了 Pre-Switch 技術(shù)如何使設(shè)計(jì)人員在 200kW EV 逆變器中在 100 kHz 下實(shí)現(xiàn) 99.1% 的效率，從而將 EV 范圍增加多達(dá) 12%。

讓我們從討論動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)損失開(kāi)始。顯然，電動(dòng)汽車要擴(kuò)大其續(xù)航里程，需要同時(shí)提高電機(jī)效率和逆變器效率。直到大約 50 英里/小時(shí)，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)損失在大多數(shù) EV 損失中占主導(dǎo)地位，此時(shí)風(fēng)阻接管。但動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)損失在電動(dòng)汽車的所有損失中所占的份額最大，因此我們必須同時(shí)解決逆變器和電機(jī)問(wèn)題。如果我們能讓電機(jī)制造商和逆變器制造商共處一室，直接談?wù)撓到y(tǒng)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)效率，我們就可以實(shí)現(xiàn) EV 續(xù)航里程的顯著提升。

雖然電機(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(wèn)題。車輛的設(shè)計(jì)目的是為加速提供大量扭矩——比巡航所需的扭矩要多得多，而巡航是大部分駕駛完成的地方。在低扭矩水平巡航時(shí)，提供高效電動(dòng)機(jī)和逆變器具有挑戰(zhàn)性。另一種思考方式是速度。當(dāng)電機(jī)遠(yuǎn)未達(dá)到峰值效率時(shí)，絕大多數(shù)車輛的運(yùn)行速度將低于 60 英里/小時(shí)——最大扭矩的 3-5%。

今天，需要在開(kāi)關(guān)損耗和更高的電機(jī)效率之間進(jìn)行權(quán)衡。電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)損耗隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加而減少，但逆變器損耗會(huì)增加。雖然碳化硅通過(guò)減少逆變器損耗對(duì)此有所幫助，但它并沒(méi)有真正改變平衡。因此，大多數(shù)逆變器制造商都以大約 10 kHz 的頻率運(yùn)行他們的碳化硅 FET，即使可以通過(guò)以更快的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行來(lái)減少電機(jī)損耗。遺憾的是，解決方案并不是簡(jiǎn)單地以更高的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)。更快的開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致更高的開(kāi)關(guān)損耗，從而降低逆變器效率。此外，如果您想嘗試更快地開(kāi)關(guān)并保持逆變器開(kāi)關(guān)頻率較高，則需要添加更多 MOSFET 以降低導(dǎo)通損耗，以補(bǔ)償增加的開(kāi)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(wèn)題是，如果處理不當(dāng)，碳化硅更快的晶體管邊緣速度會(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)固耐用的電機(jī)，但這不可避免地要花錢(qián)。由于所有這些原因，開(kāi)關(guān)速度長(zhǎng)期以來(lái)一直被限制在 5-15 kHz。

Pre-Switch 通過(guò)將 AI 嵌入到 FPGA 中來(lái)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 中的 S1 和 S2 所示。結(jié)果是在主要碳化硅工作中幾乎消除了所有開(kāi)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，但本文將主要關(guān)注 SiC）。獨(dú)一無(wú)二的是，我們的 AI 消除了整個(gè)范圍內(nèi)不斷變化的環(huán)境、輸入電壓和負(fù)載條件的開(kāi)關(guān)損耗。

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

每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，輔助諧振晶體管 S1 和 S2 的時(shí)序都會(huì)調(diào)整以確保 Q1 和 Q2 的開(kāi)關(guān)損耗幾乎為零。在將電容器置于開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，Pre-Switch 減少了 SiC 快速瞬態(tài)邊緣速度的系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題，并且可以對(duì)其進(jìn)行編程以滿足應(yīng)用要求。此外，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，Pre-Switch 會(huì)根據(jù)對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換方式和時(shí)間的全面了解來(lái)計(jì)算、調(diào)整和最小化死區(qū)時(shí)間。這簡(jiǎn)化了控制。最后，由于 Pre-Switch 以逐個(gè)周期為基礎(chǔ)控制一切，因此增強(qiáng)了系統(tǒng)級(jí)保護(hù)并最大限度地縮短了故障反應(yīng)時(shí)間。系統(tǒng)級(jí)錯(cuò)誤從內(nèi)置通信端口傳回主機(jī)。

為了演示該過(guò)程，讓我們看一下 GIF（圖 2），其中顯示了 20 個(gè)不同的開(kāi)關(guān)周期。在初始加電時(shí)和隨后的第一個(gè)3個(gè)開(kāi)關(guān)周期期間，所述算法開(kāi)始學(xué)習(xí)處理，但是，從4輸出被用于系統(tǒng)可以在任何條件下制得的諧振電流，然后第切換周期，該算法進(jìn)行優(yōu)化軟切換所需的第一個(gè) AI 預(yù)測(cè)校正。在這種情況下，請(qǐng)注意電感諧振電流（綠色）的大幅減少和優(yōu)化。展望未來(lái)，對(duì)于每個(gè)后續(xù)開(kāi)關(guān)周期，算法將獨(dú)立調(diào)整諧振電感器電流，以確保它會(huì)短暫擺動(dòng)高于負(fù)載電流（以藍(lán)色顯示）。所有調(diào)整都足夠快，以確保任何 PWM 輸入的準(zhǔn)確軟開(kāi)關(guān)，并可用于通過(guò) DC-AC 逆變器創(chuàng)建完美的正弦波。該系統(tǒng)還可以無(wú)縫地反向工作。

圖 2：開(kāi)關(guān)周期顯示加電、算法學(xué)習(xí)過(guò)程和優(yōu)化軟開(kāi)關(guān)的持續(xù)修正

那么，我們?nèi)绾蜗_(kāi)關(guān)損耗呢？圖 3 比較了使用傳統(tǒng)“硬”開(kāi)關(guān)技術(shù) (3a) 和預(yù)開(kāi)關(guān)架構(gòu) (3b) 的開(kāi)啟開(kāi)關(guān)損耗。在圖 3a 中，我們看到一個(gè) 800V 輸入：一個(gè)開(kāi)關(guān)已打開(kāi)，電壓相應(yīng)下降，電流上升。波形（藍(lán)色和洋紅色）之間的重疊是開(kāi)關(guān)損耗。該圖還顯示了消耗的能量總量（在此測(cè)量情況下為 2.5 mJ）。在 Pre-Switch 解決方案 (3b) 中，過(guò)渡被減慢以確保電壓和電流波形不重疊，從而實(shí)際上消除了開(kāi)關(guān)損耗。

圖 3：比較使用“硬”開(kāi)關(guān)技術(shù) (a) 與預(yù)開(kāi)關(guān)架構(gòu) (b) 的開(kāi)啟開(kāi)關(guān)損耗

考慮到相同的關(guān)斷損耗圖（圖 4），重疊實(shí)際上最小，表明開(kāi)關(guān)損耗大幅降低，并且消耗的能量很小——0.013 mJ，而硬開(kāi)關(guān)方法為 1.25 mJ。此外，dV/dT 也降低了。

盡管由于驅(qū)動(dòng)預(yù)開(kāi)關(guān)解決方案所需的開(kāi)銷（例如為 FPGA 供電）而存在一些較小的能量損失，但它們是最小的，尤其是在考慮同時(shí)運(yùn)行三個(gè)開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)級(jí)的損耗時(shí)。我們計(jì)算出軟開(kāi)關(guān)預(yù)開(kāi)關(guān)解決方案帶來(lái)的節(jié)能至少為 94%。

圖 4：關(guān)斷損耗比較

消除開(kāi)關(guān)損耗帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)自由。圖 5 使用來(lái)自 Wolfspeed CAB450M12XM3 電源模塊的數(shù)據(jù)并顯示流經(jīng)其設(shè)備的電流量。硬開(kāi)關(guān)紅線表明，隨著模塊開(kāi)關(guān)速度加快，電流量必須減少。與預(yù)開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān)綠色曲線相比，我們看到可以通過(guò)同一器件的電流量幾乎不會(huì)隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加而減少。因此，系統(tǒng)速度可以提高到 100 kHz，而不是以 10 kHz 運(yùn)行。這意味著逆變器效率更高，可以使用更小的晶體管，并且可以使輸出的電流紋波顯著減少，從而使電機(jī)溫度更低，效率更高，冷卻成本更低。還，振鈴和超調(diào)減少，軸承損壞問(wèn)題最小化。但關(guān)鍵是系統(tǒng)可以在 Pre-Switch 曲線上的任何位置運(yùn)行，從而提供巨大的設(shè)計(jì)靈活性。

圖 5：預(yù)開(kāi)關(guān)提供設(shè)計(jì)靈活性

預(yù)切換的好處

大多數(shù)設(shè)計(jì)人員在查看我們的強(qiáng)制諧振電路時(shí)，錯(cuò)誤地認(rèn)為與工作半橋的中點(diǎn)串聯(lián)添加的小半橋比原來(lái)的半橋解決方案更昂貴。畢竟，還有更多的部分，對(duì)嗎？好吧，現(xiàn)實(shí)情況是，在強(qiáng)制諧振電路中添加的總芯片面積比消除工作晶體管中的開(kāi)關(guān)損耗所節(jié)省的面積要小得多。讓我進(jìn)一步解釋一下。強(qiáng)制諧振開(kāi)關(guān)通常只占工作半橋芯片面積的 25-33%，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ髡伎毡让黠@小于工作開(kāi)關(guān)。（例如：10kHz 時(shí)開(kāi)關(guān)周期的 0.5% 和 100kHz 時(shí)開(kāi)關(guān)周期的 5%）。更遠(yuǎn)，諧振開(kāi)關(guān)只需要主開(kāi)關(guān)隔離電壓的一半?，F(xiàn)在讓我們考慮主要 SiC 半橋的節(jié)省。開(kāi)關(guān)損耗的降低使主開(kāi)關(guān)的管芯面積減少了 33-50%，而輔助開(kāi)關(guān)的電壓是輔助開(kāi)關(guān)的兩倍。然后是與 10 倍更高的開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的大量系統(tǒng)節(jié)省 - 電機(jī)中的天氣或輸出濾波器的節(jié)省。最后，還有顯著的系統(tǒng)級(jí)冷卻節(jié)省、重量減輕、dV/dt 節(jié)省和安全性改進(jìn)。然后是與 10 倍更高的開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的大量系統(tǒng)節(jié)省 - 電機(jī)中的天氣或輸出濾波器的節(jié)省。最后，還有顯著的系統(tǒng)級(jí)冷卻節(jié)省、重量減輕、dV/dt 節(jié)省和安全性改進(jìn)。然后是與 10 倍更高的開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的大量系統(tǒng)節(jié)省 - 電機(jī)中的天氣或輸出濾波器的節(jié)省。最后，還有顯著的系統(tǒng)級(jí)冷卻節(jié)省、重量減輕、dV/dt 節(jié)省和安全性改進(jìn)。

在考慮電機(jī)優(yōu)勢(shì)時(shí)，硬開(kāi)關(guān)逆變器總是會(huì)因最小化開(kāi)關(guān)頻率以保持逆變器效率高的做法而受到損害。結(jié)果是大量的輸出紋波被電機(jī)過(guò)濾掉。發(fā)送到電機(jī)的純正弦波的每一次偏差都是能源浪費(fèi)，這表現(xiàn)為電機(jī)內(nèi)部發(fā)生的感應(yīng)加熱器。這種熱量顯然需要散掉，這又是一個(gè)成本。Pre-Switch 的 CleanWave 近乎完美的正弦波輸出源于 10-20 倍的開(kāi)關(guān)頻率增加，從而大大提高了電機(jī)效率并減少了電機(jī)所需的冷卻。

這一點(diǎn)的重要性如圖 6 所示。逆變器損耗沒(méi)有增加，而是降低了，并且在整個(gè)開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)有效平坦。隨著頻率的增加，電機(jī)損耗會(huì)減少，最終結(jié)果是系統(tǒng)級(jí)的大量節(jié)省?；氐轿覀冴P(guān)于扭矩和最大電機(jī)效率的討論，當(dāng)使用 Pre-Switch 以 100 kHz 和更快的頻率進(jìn)行切換時(shí)，電機(jī)效率在低扭矩和中低 RPM 下的改進(jìn)最為顯著——這是大多數(shù)駕駛完成的地方。這就是我們?nèi)绾蔚贸?EV 范圍增加 5-12% 的結(jié)果。

圖 6：減少的總傳動(dòng)系統(tǒng)損失導(dǎo)致 EV 續(xù)航里程增加 5-12%

結(jié)論與評(píng)價(jià)體系

總之，通過(guò)消除開(kāi)關(guān)損耗，Pre-Switch 可以在 100 kHz 及以上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 續(xù)航里程增加了約 5-12%；這通過(guò)減少晶體管的數(shù)量以及降低冷卻要求來(lái)實(shí)現(xiàn)更低成本的系統(tǒng)。當(dāng)然，通過(guò)提高電機(jī)效率，電池尺寸可以更小，這是一個(gè)巨大的好處和成本節(jié)約。Pre-Switch 還通過(guò)降低 dV/dT 和節(jié)省導(dǎo)致軸承退化的差分共模噪聲來(lái)解決電機(jī)難題。最后，由于 Pre-Switch 在逐個(gè)周期的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)中任何地方的故障做出非常快速的反應(yīng)，從而提供卓越的安全性和保護(hù)。

審核編輯：郭婷