更智能的电动汽车逆变器：AI 将功率损耗降至最低
AI 开关中枢
将功率晶体管的开关损耗降低高达 95%——这正是人工智能辅助的智能软开关技术所承诺的目标。保时捷工程已在仿真环境中对这一全新方法进行测试。
续航里程是消费者购买电动汽车时最重要的考量标准之一。因此，充分利用一切可能性提升驱动系统效率至关重要。逆变器在这方面潜力巨大，因为其内部功率晶体管在开关过程中会产生显著损耗——而通过智能控制这些晶体管，可大幅降低此类损耗。
以柔克刚：通过智能控制晶体管，可显著降低电动汽车逆变器中的损耗。
从根本上说，电动汽车逆变器中存在两种主要损耗类型：导通损耗和开关损耗。导通损耗是晶体管固有的物理特性，无法通过逆变器的电路设计改变。这是因为，由于物理原因，功率晶体管无法实现零损耗导电。即便在导通状态下，其内部仍存在微小残余电阻，从而导致损耗并产生热量。
开关损耗则发生在“开”与“关”状态转换的瞬间。在极短时间内，功率晶体管在承受电压的同时，已有显著电流流过。电流与电压的乘积即为不希望产生的损耗功率。它在开关瞬间形成的特征性峰值会导致能量损失——最终缩短了潜在可达的电动汽车续航里程。“晶体管开关次数越频繁，这个问题就越严重。”保时捷工程功能与软件开发学科负责人福尔克·雷伯 (Volker Reber) 解释道，“但另一方面，逆变器又需要高开关频率，因为这有助于提升所产生交流电的质量。”
破解这一两难困境的答案在于“软开关”技术。与逆变器中功率晶体管直接进行硬开关不同，软开关通过实时智能调节开关时间点，使晶体管承受的电压与电流乘积——亦即开关过程中的损耗功率——实现最小化。实现软开关主要有两种技术路径：零电流开关 (ZCS) 和零电压开关 (ZVS)。ZCS 在流过晶体管的电流几乎为零时进行开关操作；ZVS 则在晶体管两端电压接近零时完成开关切换。
晶体管的智能开关 软开关如何提升续航里程
硬开关在开关过程中会导致功率晶体管上出现典型的损耗功率峰值。其原因在于：在一段过渡时间内，晶体管两端仍存在电压 UDD，同时已有电流 IDD 流过。两者的乘积即为损耗功率。
采用零电流开关 (ZCS) 的软开关在几乎没有电流流过晶体管时进行切换，从而显著降低损耗功率。
采用零电压开关(ZVS) 的软开关也能达到同样的效果。此类软开关在晶体管两端电压接近零时进行切换，从而同样使损耗功率最小化。
通过应用 AI，保时捷工程能够根据当前运行条件优化开关时间点。
ZVS 带来更低损耗
保时捷工程采用 ZVS 技术提升逆变器效率。该技术能有效降低电动汽车所使用的碳化硅和氮化镓功率晶体管的损耗。相较于 ZCS，ZVS 在更高频率下能保持更优效率，同时产生的电磁干扰也更小。最重要的是，对于电机这类感性负载，ZVS是更理想的选择。
“我们在功率晶体管周围布置了由晶体管、线圈和电容器构成的附加电子电路。”保时捷工程功能与软件开发专业项目工程师苏海卜·图阿蒂 (Souhaib Touati) 介绍道，“这种逆变器拓扑结构被称为‘辅助谐振极变换器’或 ARCP，早已在业界为人熟知。”雷伯与图阿蒂的创新之处在于将人工智能应用于ARCP 的控制：经过预训练的 AI 算法实时处理来自电动汽车的数十种当前测量值（如负载、扭矩和温度），并在毫秒间计算出功率晶体管的最佳开关时机。
辅助谐振换流支路 (ARCP) 的工作原理基于使用谐振电路来最小化电力电子系统中的开关损耗。ARCP 采用一个能实现电感与电容之间相互作用的谐振电路。这种谐振有助于在开关过程中控制电压或电流。通过控制开关器件（如晶体管），使其仅在零电压条件下导通或关断。这能够显著降低开关损耗，因为开关器件并非在负载下进行开关动作。开关的控制通过可变时序控制实现，其时序会考虑瞬时负载电流，以确定最佳的开关时间点。
通过人工智能实现开关优化
“电动汽车始终在持续变化的负载下运行，由于运行条件的复杂多变，软开关技术至今尚未得到更广泛的应用。”雷伯表示，“通过运用人工智能优化晶体管开关过程，我们成功改变了这一局面：即使在条件不断变化的情况下，我们的算法也能预测控制 ARCP 的最佳时间点。由此，我们实现了完全的软开关，其损耗极低，并相应提升了续航里程。”
“我们实现了完全的软开关，其损耗 极低，并相应提升了续航里程。”
福尔克·雷伯
保时捷工程功能与软件开发学科负责人
目前，雷伯与图阿蒂正在研究采用递归神经网络和强化学习这两种 AI 方法，以实现智能软开关。“这两种方法各具优势：递归神经网络以其高预测精度和强大性能而著称。”图阿蒂表示，“强化学习则提高了计算速度，尤其适合对实时性要求极高的场景。”
这项创新技术带来的效率提升极为显著：AI 辅助的软开关技术将功率晶体管的开关损耗降低了 70% 至 95%。因此，在特定的运行区间内，电动汽车的续航里程可以实现高个位数的百分比增长。此外，软开关通过降低开关损耗减少脉冲逆变器的发热量，这降低了对冷却系统的要求，并使得元器件设计更为紧凑。以往电路中的多种滤波组件亦可省去，这再次优化了电路板布局。总体而言，脉冲逆变器的体积可缩减 20% 至 50%。此外，目前采用的硬开关技术会使逆变器中的功率晶体管承受高负荷，从而缩短其使用寿命。基于 AI 的软开关技术同样能缓解这一问题。
智能开关：电动汽车在持续变化的负载下运行。因此，AI 模型持续基于当前传感器数据计算出最佳开关时间点。
这款新型逆变器 AI 控制算法已处于高级开发阶段。一旦技术成熟，保时捷工程将向其客户提供基于 AI 的完整软开关软件解决方案。“在此，我们为 OEM 厂商和一级供应商提供了一个巨大优势：基于 AI 的软开关完全通过软件库实现，因此几乎可以像插件一样集成至现有控制设备中。”图阿蒂表示，“基于现有设计，硬件改动量预计相对较小。因此，基于 AI 的软开关最好在车型改款或全新开发过程中实施。”
“基于 AI 的软开关完全通过软件库实 现，因此几乎可以像插件一样集成 至现有控制设备中。”
苏海卜·图阿蒂
保时捷工程功能与软件开发专业项目工程师
信息
本文首次发表于《保时捷工程杂志》2025年第1期。
文字：Christian Buck
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