Pre-Switch基于AI逆變器可實現(xiàn)電動汽車的高效率

Pre-Switch 公布了其 200 千瓦 CleanWave200 逆變器的最高效率數(shù)據(jù)。在接受電力電子新聞采訪時，Pre-Switch 的首席執(zhí)行官 Bruce Renouard 展示了如何在 100 kHz 的開關(guān)頻率下效率達到 99.3%（空間矢量調(diào)制），并且隨著負載的變化具有平坦的輪廓，從而增加了電動汽車（EV） 范圍高達 12%?！敖刂两裉?，我們發(fā)布了大量數(shù)據(jù)，顯示我們?nèi)绾我?0.01% 的準確度達到 99.3%，”Renouard 說。

利用其基于人工智能的 DC/AC、AC/DC 軟開關(guān)技術(shù)，Pre-Switch 展示了如何通過在每個開關(guān)位置僅使用三個分立的低成本 35mΩ SiC FET 來實現(xiàn)這一點。

“我們主要專注于碳化硅，目標(biāo)是幾乎消除幾乎 100% 的開關(guān)損耗，”Renouard 說?！耙虼耍弁ㄟ^］ 限制開關(guān)損耗，我們可以將每個系統(tǒng)所需的碳化硅量減少約 50%。節(jié)省的 SiC 數(shù)量取決于替代系統(tǒng)的開關(guān)損耗量，但這肯定是一大塊。這是一個很大的成本節(jié)省?！?/p>

CleanWave200 逆變器（圖 1）提供快速開關(guān)頻率，可產(chǎn)生近乎純正的正弦波，從而提高電動機的效率。增加的開關(guān)頻率還降低了直流母線電容器的尺寸和成本，這與增加的開關(guān)速度不成比例，并且具有實現(xiàn)航空所需的低重量低電感電機的額外好處。

圖 1：CleanWaveTM 評估系統(tǒng)（頂視圖）

電力電子需要人工智能

Pre-Switch AI 解決方案允許用戶從昂貴的、有損的、硬開關(guān)實現(xiàn)遷移到高效、軟開關(guān)設(shè)計，開關(guān)頻率高 10 倍，可產(chǎn)生近乎純正的正弦波輸出。AI 技術(shù)實時分析其參數(shù)，對小型諧振晶體管進行必要的調(diào)整，從而即使在困難多變的環(huán)境中也能實現(xiàn)軟開關(guān)。Pre-Switch AI 算法考慮了一系列參數(shù)，例如溫度、器件退化、輸入電壓變化和電流突然波動。

硬開關(guān)只是通過增加電流或電壓來強制開啟和關(guān)閉晶體管以啟用修改后的狀態(tài)。眾所周知，硬開關(guān)對晶體管的硬件要求很高，并且會縮短它們的使用壽命。另一方面，軟開關(guān)的概念是使用外部電路來避免開關(guān)晶體管時電壓和電流波形的重疊。

電動汽車逆變器

在汽車領(lǐng)域，對電動汽車效率的研究主要集中在電池性能以及所用逆變器和電動機的效率上。嚴格的汽車安全和質(zhì)量標(biāo)準正在引導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新，以最大限度地提高電動汽車的效率和自主性，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?？焖倬w管換向。

擴大電動汽車的續(xù)航里程需要提高電機和逆變器的效率，即傳動系統(tǒng)損耗。動力傳動系統(tǒng)損失在大多數(shù) EV 損失中占主導(dǎo)地位，最高可達約 50 英里/小時，此時風(fēng)阻會接管。但動力傳動系統(tǒng)損耗在電動汽車的所有損耗中所占的份額最大，因此必須同時關(guān)注逆變器和電機，在開關(guān)損耗和更高的電機效率之間進行權(quán)衡。電機鐵損隨著開關(guān)頻率的增加而減少，但逆變器損耗會增加。

Renouard 指出，碳化硅在低功率水平下有助于逆變器，但許多電動汽車逆變器仍在以較低的開關(guān)頻率（大約 10 kHz）使用碳化硅器件。然而，增加開關(guān)頻率并不總能解決問題。更快的開關(guān)會導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗，從而降低逆變器的效率。

此外，Renouard 表示，如果您想嘗試更快地硬開關(guān) FET 并保持逆變器的高效率，則需要添加更多 FET 以降低傳導(dǎo)損耗，以補償更高的開關(guān)損耗。這會導(dǎo)致成本增加，并且通常與快速開關(guān)頻率相關(guān)的高 dV/dt 需要更厚的電機絕緣材料和陶瓷軸承，以使電機更加堅固。Pre-Switch 通過將 AI 集成到 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序，如圖 2 中的 S1 和 S2 所示。結(jié)果實際上消除了主要 SiC 晶體管中的所有開關(guān)損耗（Q1 和 Q2）。

圖 2：Pre-Switch 將 AI 嵌入到 FPGA 中，可精確控制輔助諧振晶體管 S1 和 S2 的時序。

在每個開關(guān)周期，輔助諧振晶體管 S1 和 S2 的時序經(jīng)過調(diào)整，以確保 Q1 和 Q2 的開關(guān)損耗幾乎為零。該算法基于對每個開關(guān)如何以及何時轉(zhuǎn)換的完整知識來計算和最小化死區(qū)時間。“讓我們看看圖 3，它顯示了 20 個開關(guān)周期，”Renouard 說?！霸陂_機時，算法開始學(xué)習(xí)過程，然后在第四個開關(guān)周期，由人工智能提供的第一次修正。在這種情況下，可以觀察到電感器諧振電流 ［以綠色顯示］ 的減少。接下來，該算法將獨立調(diào)整電感器諧振電流，以確保它在負載電流之上短暫振蕩 ［以藍色顯示］。所有調(diào)整都足夠快，以確保準確，使用任何 PWM 輸入平滑切換，可用于通過 DC/AC 逆變器創(chuàng)建完美的正弦波。該系統(tǒng)也可以完美地反向運行。”

圖 3：開關(guān)周期顯示了上電、算法學(xué)習(xí)過程以及優(yōu)化軟開關(guān)的持續(xù)修正。

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。

CleanWave200 在 100 kHz 時為 99.3%

已發(fā)布的數(shù)據(jù)繪制了 50 至 100 kHz 開關(guān)速度、輸入電壓、功率輸出和電流輸出的系統(tǒng)效率，允許系統(tǒng)設(shè)計人員將預(yù)開關(guān)結(jié)果與其要求進行比較。Renouard 強調(diào)，從 EV 應(yīng)用的角度來看，該分析可以優(yōu)化效率要求，使用相同尺寸的電池可將 EV 續(xù)航里程凈提高 12%（圖 4-7）。從 50 kHz 到 100 kHz，效率相對恒定，變化約為 0.2%（60 A）。Renouard 說：“使這一點特別重要的［是］這些曲線都是在 800 V 下完成的?！?/p>

圖 4：切換前 CleanWave200 系統(tǒng)效率結(jié)果

圖 5：100 kHz 時的 CleanWave 效率與每相安培數(shù)

圖 6：100 kHz 時的 CleanWave 效率與功率

圖 7：預(yù)開關(guān)開關(guān)頻率將 EV 范圍擴展了 5% 至 12%。

“我們正在向新的片上系統(tǒng) FPGA 遷移，這將使我們的運行速度比我們在這里所做的要快得多，而且我們很快就會準備好新的 CleanWave200 更新，”Renouard 說。

更高的逆變器頻率開關(guān) （Fsw） 可降低電機損耗。正如 Renouard 在圖 8 中指出的那樣，在 5 kHz 時，Nissan Leaf 的硅 IGBT 逆變器會出現(xiàn)最壞的情況?！叭绻俣忍岣?20 倍，您會發(fā)現(xiàn)正弦波非常干凈，無需添加任何輸出濾波器，”他說。

圖 8：更高的逆變器 Fsw 降低了電機損耗。

Renouard 表示，該系統(tǒng)也可以應(yīng)用于 GaN 解決方案。雖然它們尚未經(jīng)過測試，但系統(tǒng)的靈活性使其可以實施?！癝iC 和 GaN 開關(guān)具有一些相似的特性；兩者都很快打開，也很快關(guān)閉，”他說?！拔覀冋J為，實際上，這種碳化硅算法將在很大程度上與 GaN 一樣工作，并且它將與硅 IGBT 一起工作。但我們很快就會提供針對每種開關(guān)技術(shù)優(yōu)化的算法版本”

在考慮電機優(yōu)勢時，開關(guān)逆變器在應(yīng)用中總是會通過最小化開關(guān)頻率來保持高逆變器效率而受到影響。結(jié)果是電機產(chǎn)生大量輸出紋波，實際上代表電機內(nèi)發(fā)生的感應(yīng)加熱。這種熱量顯然必須散發(fā)出去，這是另一項成本。Renouard 指出，開關(guān)頻率增加 10 到 20 倍可提供近乎完美的正弦輸出，從而大大提高電機效率并減少電機所需的冷卻。

“在 100 kHz 下工作時，電機效率在低扭矩和中低速下大大提高，這是大部分驅(qū)動完成的地方，”Renouard 說?！斑@就是我們通過減少開關(guān)損耗實現(xiàn)電動汽車續(xù)航里程增加 5% 至 12% 的方法。” 發(fā)動機效率的提高還轉(zhuǎn)化為電池空間和成本的節(jié)省。