場(chǎng)截止溝道 IGBT 在降低損耗方面提供了顯著的改進(jìn)。大多數(shù)來(lái)自領(lǐng)先制造商的最新一代 IGBT 使用結(jié)構(gòu)幾何組合來(lái)優(yōu)化能量集中。

然而，更新和更復(fù)雜的制造工藝的材料限制和額外的實(shí)施成本仍然是使用傳統(tǒng)組件優(yōu)化系統(tǒng)效率改進(jìn)的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的障礙。

在高壓應(yīng)用中，GaN 和 SiC 解決方案的使用越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樗鼈兛梢越档烷_(kāi)關(guān)損耗，因此可以選擇提高開(kāi)關(guān)頻率。工作頻率提高的直接影響將對(duì)太陽(yáng)能逆變器市場(chǎng)產(chǎn)生切實(shí)的影響，例如，輸出電感器的尺寸、重量和成本可能會(huì)大幅降低。

增加頻率意味著需要包含噪聲及其瞬態(tài)。如果電源轉(zhuǎn)換器的操作仍然依賴于傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)架構(gòu)，那么大規(guī)模使用新的電源開(kāi)關(guān)可能仍然遙不可及。

“通過(guò)降低頻率，我們進(jìn)入了軟開(kāi)關(guān)市場(chǎng)，” Pre-Switch Inc 的首席執(zhí)行官 Bruce Renouard 說(shuō)。然而，簡(jiǎn)單地使用更快的器件增加晶體管轉(zhuǎn)換時(shí)間會(huì)導(dǎo)致無(wú)法容忍的 dV/dt 和 EMI 水平。“軟開(kāi)關(guān)仍僅用于自諧振 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器。隔離式軟開(kāi)關(guān) DC/AC 電源轉(zhuǎn)換器從未完善過(guò)，這就是為什么能源工程師將用于大功率 AC/DC 的軟開(kāi)關(guān)稱為電力電子的“圣杯”。”

Pre-Switch 通過(guò)采用內(nèi)置人工智能集成電路（稱為 Pre-Flex）解決了軟開(kāi)關(guān)問(wèn)題，該集成電路可以精確控制和調(diào)整非常小的低成本諧振電路的時(shí)序，以確保最小的重疊開(kāi)關(guān)器件的電流和電壓波形。

內(nèi)置 AI 的軟開(kāi)關(guān)可將開(kāi)關(guān)損耗降低 70% 至 95%，并解決與更快晶體管相關(guān)的 dV/dt 問(wèn)題。

“Pre-Switch 可確保在比以往更高的開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的軟開(kāi)關(guān)并降低 EMI，”Renouard 說(shuō)。

Pre-Flex 集成電路逐個(gè)周期地學(xué)習(xí)并適應(yīng)不斷變化的系統(tǒng)輸入和設(shè)備條件，以確保最佳軟開(kāi)關(guān)。在實(shí)踐中，盡管輸入電壓、輸出負(fù)載、系統(tǒng)溫度和制造公差存在變化，它仍將每個(gè)晶體管鎖定在可靠的強(qiáng)制諧振軟開(kāi)關(guān)中（圖 3）。

圖 3：Pre-Switch 架構(gòu)（圖片：Pre-Switch Inc.）

該技術(shù)已用于以超過(guò) 100 kHz 的頻率切換 600-V IGBT 晶體管和以 1 MHz 的頻率切換 900-V SiC 晶體管。與系統(tǒng)級(jí)別相比，添加此設(shè)備的成本節(jié)省微不足道。此外，Pre-Switch 技術(shù)可用于升級(jí)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的硬開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。Pre-Flex 已集成到標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)板中，用于半橋配置的 1,200-V 225-A EconoDUAL。

“Pre-Flex 設(shè)計(jì)用于半橋、全橋或三相配置電源轉(zhuǎn)換器，”Renouard 說(shuō)。“每個(gè) IC 都包括一個(gè)內(nèi)置串行通信端口，用于傳達(dá)故障條件，還包括 Pre-Switch Blink，確保在逐個(gè)周期的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最大的安全功能。Pre-Flex IGBT 系列的頻率限制為 100 kHz，通常可消除 70% 至 85% 的系統(tǒng)開(kāi)關(guān)損耗。Pre-Flex SiC/GaN 系列頻率限制為 1 MHz，通常可消除系統(tǒng)中 90% 至 95% 的總開(kāi)關(guān)損耗，包括額外器件的開(kāi)銷。此外，該架構(gòu)具有內(nèi)置的無(wú)損 dV/dt 濾波器。”

結(jié)論

Pre-Flex 的使用顯示出主要參數(shù)的明顯改善，如表 1所示。X-Factor 是一個(gè)歸一化系數(shù)，表示與硬切換的相同設(shè)備相比，在相同損耗的情況下，使用 Pre-Switch AI 控制算法技術(shù)切換設(shè)備的速度有多快。該因素表明在電流和開(kāi)關(guān)頻率方面的性能有所提高。

表 1：Pre-Switch 技術(shù)改進(jìn)后的數(shù)據(jù)分析（圖片：Pre-Switch Inc.）

圖 4：信號(hào)分析和 AI 控制行為（圖片：Pre-Switch Inc.）

“Pre-Switch 使客戶能夠構(gòu)建開(kāi)關(guān)頻率比硬開(kāi)關(guān) IGBT 系統(tǒng)快 4 倍 5 倍，比硬開(kāi)關(guān) SiC 和 GaN 系統(tǒng)快 35 倍的系統(tǒng)，”Renouard 說(shuō)。“這是通過(guò)一半的晶體管數(shù)量實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于基于 SiC 的 EV 逆變器，將開(kāi)關(guān)頻率從普遍存在的 10 kHz 提高到 100 kHz 或 300 kHz 可以在沒(méi)有任何輸出濾波器的情況下產(chǎn)生近乎完美的正弦波。結(jié)果是消除了不必要的電機(jī)鐵損并在低扭矩和低轉(zhuǎn)速下提高了電機(jī)效率。更高的開(kāi)關(guān)頻率還可以實(shí)現(xiàn)更輕、成本更低的更高轉(zhuǎn)速電機(jī)。”

CleanWave 200-kW SiC汽車逆變器評(píng)估系統(tǒng)使電源設(shè)計(jì)工程師能夠研究公司的軟開(kāi)關(guān)架構(gòu)和平臺(tái)在不同負(fù)載、溫度、器件容差和退化條件下的準(zhǔn)確性。該平臺(tái)包括由 Pre-Flex FPGA 供電的 Pre-Drive3 控制器板和 RPG 柵極驅(qū)動(dòng)器板，它們共同消除了開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)了 100 kHz 的快速開(kāi)關(guān)。雙脈沖測(cè)試數(shù)據(jù)表明，Pre-Switch 軟開(kāi)關(guān)平臺(tái)可將系統(tǒng)總開(kāi)關(guān)損耗降低 90% 或更多（圖 4）。

在第一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 0（對(duì)應(yīng)于圖 4左上角預(yù)覽屏幕中的“T” ），AI Pre-Switch 控制器評(píng)估多個(gè)輸入并決定系統(tǒng)處于哪種模式，然后進(jìn)行安全但不優(yōu)化軟開(kāi)關(guān)所需的諧振周期估計(jì)。所有輸入和輸出都經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量和存儲(chǔ)，以供將來(lái)學(xué)習(xí)。在另一個(gè)示教周期完成后，人工智能將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)優(yōu)化。

在開(kāi)關(guān)周期 1 中，再次準(zhǔn)確測(cè)量和分析由開(kāi)關(guān)周期 0 產(chǎn)生的所有 AI 輸入和輸出。IA 將再次輸出類似于開(kāi)關(guān)周期 0 的第二個(gè)保守諧振時(shí)間周期，以確保安全但未優(yōu)化的軟開(kāi)關(guān)。

隨后，人工智能算法預(yù)測(cè)優(yōu)化的諧振時(shí)間，以確保在系統(tǒng)的各個(gè)方面以最小的損耗完成軟開(kāi)關(guān)。在隨后的階段，系統(tǒng)比較系統(tǒng)輸入和先前開(kāi)關(guān)周期的結(jié)果，并調(diào)整諧振時(shí)間，以隨著負(fù)載電流的增加充分優(yōu)化軟開(kāi)關(guān)（藍(lán)線）。

系統(tǒng)溫度變化、設(shè)備退化和急劇的電流波動(dòng)都在 Pre-Switch AI 算法中得到考慮和優(yōu)化。

審核編輯：劉清