在汽車領域，對電動汽車效率的研究主要集中在電池自主性以及逆變器和電動機的效率上。嚴格的汽車安全和質量標準正在引導技術創新，以最大限度地提高電動汽車 (EV) 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 (AI) 正在為推動電動汽車的自主性和效率提供重要支持，包括努力消除開關損耗以確保快速晶體管換向。

功能規格和設計方面

在邏輯級，晶體管是簡單的三引腳開關，其中當晶體管導通或關斷時將電壓或電流施加到第三個引腳會改變晶體管的狀態，但這種轉變不是瞬時的。晶體管完成轉換所需的時間稱為開關損耗。開關損耗浪費能源，是造成電源轉換器損耗的主要因素。每個晶體管的開關損耗量因晶體管類型、制造商和工作電壓而異。一般來說，可以處理更高電壓的晶體管具有更高的開關損耗。

在電力電子領域，研究旨在可靠且經濟地降低開關和傳導損耗。設置和調整開關頻率的能力在 DC/AC 和 AC/DC 電源轉換應用中尤為重要。在這里，逆變器的有限開關頻率會使輸出功率的正弦波失真，從而導致電機過度低效。最小化開關損耗可以顯著提高效率、尺寸、性能和可靠性。因此，對于所有需要低噪聲水平的應用，調整開關頻率可以降低電機產生的噪聲。此參數可在 1 至 16 kHz 范圍內調整，其調制是必要的，以避免出現共振現象。

為了降低噪聲，提高開關頻率很重要。8 至 12 kHz 范圍內的頻率允許逆變器在低噪聲模式下運行。使用高開關頻率，可以獲得更好的電流波形，但需要在更高的逆變器開關損耗和更多的電磁兼容性 (EMC) 干擾之間進行權衡。開關頻率越低，電機的噪音越大。越來越多的創新拓撲和半導體材料，例如最新一代的硅 IGBT 和 MOSFET 溝槽設計以及更快的碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) MOSFET，已被用于縮短開關時間。但由此產生的更高水平的 dV/dt（電壓隨時間變化的速率）和電磁干擾 (EMI) 一直是大規模采用的障礙。

硬、軟和預切換方法

硬開關通過向第三個引腳添加電流或電壓來強制開啟和關閉晶體管，以啟用更改后的狀態。硬開關被認為是低成本的，因為只需要有限數量的其他組件來驅動狀態之間的晶體管，但實際上這種方法在系統級別上很昂貴并且效率低下。
硬開關有許多眾所周知的缺點，但最大的缺點是引入了開關損耗。使用硬開關的電源轉換器需要在市場對更高開關頻率的需求與控制系統損耗以滿足所需系統效率的需求之間取得平衡。硬開關人為地限制了晶體管可以換向的最大開關頻率。它會產生 EMI，從而增加系統成本。

軟切換是另一種方法。在自諧振軟開關中，自振蕩電路用于精確計時晶體管換向，從而導致電流和電壓波形的偏移。自諧振軟開關拓撲的好處是消除了開關損耗、提高了效率和降低了 EMI。主要缺點是自諧振軟開關架構僅在輸入電壓和輸出負載保持在較窄范圍內時才適用于非隔離電源轉換器。

強制諧振軟開關具有與自諧振軟開關相同的優點。但是傳統的強制諧振方法在計算上具有挑戰性且繁瑣，并且其在不同輸入條件和負載范圍內的適應性有限。

Pre-Switch Inc. 設計了一種基于稱為 Pre-Flex 的嵌入式 AI 集成電路的替代方法，該方法可精確控制和調整非常小且低成本的諧振電路的時序，以確保開關設備的電流和電壓的重疊最小波形。Pre-Flex IC 逐周期學習和適應電路內的情況，以保證最佳軟開關。無論輸入電壓、輸出負載、系統溫度和制造公差如何變化，Pre-Flex 都會將每個晶體管鎖定到強制諧振軟開關狀態。據 Pre-Switch 稱，Pre-Flex 驅動的強制諧振技術已被證明可消除 70% 至 95% 的總開關損耗。該技術還降低了 EMI，因為在晶體管換向期間幾乎沒有輻射功率。更遠，

該方法使用環繞開關晶體管的輔助諧振電路，以在幾乎任何電源轉換器拓撲中實現軟開關。Pre-Switch 的輔助諧振電路（包括 Pre-Flex IC）所需的功率占節省的總開關損耗的 1% 到 4%（圖 1）。

圖 1：Pre-Flex AI 是 Pre-Switch 架構的核心。

Pre-Switch 報告稱，該技術已用于以超過 100 kHz 的頻率切換 600-V IGBT 和以 1 MHz 的頻率切換 900-V SiC 晶體管，并具有前所未有的系統效率。該公司表示，相對于系統級節省而言，添加其輔助諧振電路和 Pre-Flex IC 的成本微不足道，這主要源于實際上消除了開關損耗，但通過降低 EMI 和可調 dV/dt 得到了增強。

碳化硅逆變器評估系統

Pre-Switch 的 CleanWave 200 kW 碳化硅汽車逆變器評估系統讓電源設計工程師能夠研究公司軟開關架構和平臺在不同負載、溫度、設備容差和操作環境條件下的準確性。

高開關頻率還降低了電機銅損和鐵損。對于電動汽車，這種減少意味著兩次充電之間的行駛里程增加了 5% 到 12%。以前，逆變器的有限開關頻率會導致輸出功率正弦波失真，從而導致電機過度低效。CleanWave 逆變器評估系統的 AI 不斷調整開關系統內的時序條件，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損耗，在更高的開關頻率下實現了階躍功能，并提高了逆變器效率。結果是電機的“清潔波”電流波形提高了低扭矩效率并增加了 EV 范圍。

審核編輯：郭婷