當(dāng)前電力電子的狀態(tài)越來越關(guān)注能夠降低整個系統(tǒng)成本的可靠電源轉(zhuǎn)換器。隨著時間的推移，工程方法已經(jīng)針對泄漏去除，使用比硅更高性能的半導(dǎo)體材料，例如 SiC 和 GaN。

新材料、創(chuàng)新封裝和先進的數(shù)字控制技術(shù)可幫助工程師和設(shè)備制造商提高轉(zhuǎn)換效率，減少功率損耗、重量和成本。

根據(jù) GTM Research 發(fā)布的最新全球太陽能需求監(jiān)測報告，到 2022 年太陽能系統(tǒng)的年安裝量將保持在 100 吉瓦以上。很明顯，太陽能光伏發(fā)電的增長應(yīng)進一步推動，以滿足日益清潔的地球的需求. 無論如何，所有這些電力都必須由電力電子設(shè)備和電力半導(dǎo)體進行處理、控制和分配，并進行再轉(zhuǎn)換。

此外，鋰離子電池成本的大幅降低，為以汽車電動汽車革命為代表的電力電子開辟了廣闊的新市場。分析師估計，隨著成本的不斷降低，電池的大量安裝。麥肯錫最近發(fā)表的一項研究預(yù)測，到 2030 年，鋰離子電池的年需求量將達到 2900 GWh（圖 1）。

圖 1：以 GWh 為單位的年度鋰離子電池需求和以美元計算的成本趨勢

硬軟切換

當(dāng)晶體管導(dǎo)通或關(guān)斷時，達到下一個工作狀態(tài)所需的過渡時間很短，但不是瞬時的，會產(chǎn)生能量損耗（開關(guān)損耗）的浪費。開關(guān)損耗占電源轉(zhuǎn)換器損耗的很大一部分。?

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，并縮短了它們的使用壽命。??

使用硬開關(guān)的電源轉(zhuǎn)換器必須在開關(guān)頻率的增加與損耗需求之間取得平衡，以滿足所需的系統(tǒng)效率。實際上，這意味著需要高效率的系統(tǒng)必須緩慢切換才能獲得效率。設(shè)計人員必須采用更大的能量存儲解決方案，以在晶體管開關(guān)周期之間保持較長時間的功率。

開關(guān)頻率的降低意味著諧波失真的增加，從而導(dǎo)致使用輸出濾波器。

實際上，硬開關(guān)限制了晶體管的最大工作開關(guān)頻率。晶體管在散熱方面具有最大的可操作性，必須在所涉及的各種損耗之間進行有效管理。增加開關(guān)頻率以減小系統(tǒng)尺寸意味著晶體管必須承載更少的工作電流以承受更高的開關(guān)損耗。這可以通過向系統(tǒng)添加更大的晶體管來解決，但需要額外的成本。如果沒有開關(guān)損耗，晶體管將可以更快地自由切換或為高功率應(yīng)用處理更多電流（圖 2）。

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。有兩種類型：自諧振和強制諧振。在第一種情況下，有一個自振蕩電路，這導(dǎo)致開關(guān)損耗的減少、效率的提高和電磁干擾的減少。應(yīng)用劣勢限制了它在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)換器市場。

圖 2：硬交換架構(gòu)?

強制諧振軟開關(guān)拓撲具有與前一種相同的優(yōu)點，但計算要求高、繁瑣且對不同輸入條件和負載范圍的適應(yīng)性有限。?

用于切換技術(shù)的 AI

近年來，許多 AC/DC、DC/DC、DC/AC 解決方案都專注于開發(fā)速度更快、傳導(dǎo)損耗更低的開關(guān)器件以及新開關(guān)拓撲的開發(fā)。IGBT 仍然是各種轉(zhuǎn)換器解決方案中使用的標準，隨著成本的降低，SiC 和 GaN 變得越來越流行。有很多可用的布局技術(shù)，工程師可以根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化他們的解決方案。

場終止溝槽 IGBT 在降低損耗方面提供了顯著的改進。大多數(shù)來自領(lǐng)先制造商的最新一代 IGBT 使用結(jié)構(gòu)幾何的組合來優(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施成本仍然是傳統(tǒng)組件優(yōu)化系統(tǒng)效率提高的一個具有挑戰(zhàn)性的障礙。

在高壓應(yīng)用中，GaN 和 SiC 解決方案的使用越來越受歡迎，因為它們降低了開關(guān)損耗，因此可以選擇增加開關(guān)頻率。工作頻率增加的直接影響將對太陽能逆變器市場產(chǎn)生切實影響，例如，輸出電感器的尺寸、重量和成本可能會大幅減少。

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

“通過降低頻率，我們進入了軟開關(guān)市場。軟開關(guān)仍僅用于自諧振 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器。Pre-Switch Inc首席執(zhí)行官 Bruce Renouard 表示，隔離式軟開關(guān) DC/AC 電源轉(zhuǎn)換器從未完美無缺，這就是為什么能源工程師將高功率 AC/DC 的軟開關(guān)稱為電力電子的“圣杯” 。然而，簡單地使用更快的器件增加晶體管轉(zhuǎn)換時間會導(dǎo)致無法容忍的 dV/dt 和 EMI 水平。

Pre-Switch 通過采用內(nèi)置人工智能 (AI) 集成電路（稱為 Pre-Flex）解決了軟開關(guān)問題，該集成電路可精確控制和調(diào)整非常小的低成本諧振電路的時序，以確保最小開關(guān)器件的電流和電壓波形重疊。

內(nèi)置 AI 的軟開關(guān)可將開關(guān)損耗降低 70-95%，并解決與更快晶體管相關(guān)的 dV/dt 問題。

“在比以往更高的開關(guān)頻率下，Pre-Switch 可確保準確的軟開關(guān)并降低 EMI，”Bruce Renouard 說

Pre-Flex 集成電路逐個周期地學(xué)習(xí)和適應(yīng)不斷變化的系統(tǒng)輸入和設(shè)備條件，以確保最佳軟開關(guān)。在實踐中，盡管輸入電壓、輸出負載、系統(tǒng)溫度和制造公差發(fā)生變化，但它仍將每個晶體管鎖定在可靠的強制諧振軟開關(guān)中（圖 3）。

圖 3：Pre-Switch 架構(gòu)?

該技術(shù)已用于開關(guān)頻率超過 100kHz 的 600V IGBT 晶體管和頻率為 1 MHz 的 900V 碳化硅晶體管。添加這種設(shè)備具有顯著的成本小號當(dāng)在系統(tǒng)級相比節(jié)約。此外，Pre-Switch 技術(shù)可用于升級現(xiàn)場現(xiàn)有的硬開關(guān)系統(tǒng)。Pre-Flex 已集成到半橋配置中的 1200V 225A EconoDUAL 的標準驅(qū)動器板中。

“Pre-Flex 旨在與半橋、全橋或三相配置電源轉(zhuǎn)換器配合使用。每個 IC 都包含一個內(nèi)置串行通信端口來傳達故障條件，還包括 Pre-Switch Blink?，可確保在逐個周期的基礎(chǔ)上實現(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 70-85% 的系統(tǒng)開關(guān)損耗。Pre-Flex SiC/GaN 系列的頻率限制為 1Mhz，通?？上到y(tǒng)中 90-95% 的總開關(guān)損耗，包括額外設(shè)備的開銷。此外，該架構(gòu)并有一個內(nèi)置的無損的dV / dt濾波器，”布魯斯說Renouard。

結(jié)論

使用Pre-Flex后，主要參數(shù)有了明顯的提升，如表1所示。 X-Factor是一個歸一化系數(shù)，表示使用Pre-Switch AI控制算法技術(shù)可以使設(shè)備切換速度提高多少倍。與硬開關(guān)的同一設(shè)備相比，損耗相同。該因素表明在電流和開關(guān)頻率方面的性能有所提高。

表 1：數(shù)據(jù)分析以及隨之而來的 Pre-switch 技術(shù)改進

“Pre-Switch 使客戶能夠構(gòu)建開關(guān)頻率比硬開關(guān) IGBT 系統(tǒng)快 4 到 5 倍、比硬開關(guān) SiC 和 GaN 系統(tǒng)快 35 倍的系統(tǒng)：這是用一半的晶體管數(shù)量實現(xiàn)的。對于基于 SiC 的 EV 逆變器，將開關(guān)頻率從無處不在的 10kHz 增加到 100kHz 或 300kHz，可以在沒有任何輸出濾波器的情況下創(chuàng)建近乎完美的正弦波。結(jié)果是消除了不必要的電機鐵損并提高了低扭矩和低轉(zhuǎn)速下的電機效率。更高的開關(guān)頻率還可以實現(xiàn)更輕、成本更低的更高 RPM 電機，”Bruce Renouard 說。

所述CleanWave 200kW的碳化硅（SiC）車載逆變器評價系統(tǒng)使電力設(shè)計工程師調(diào)查公司的軟交換架構(gòu)的準確性和平臺在變化的負載，溫度，裝置容差，和降解的條件。該平臺包括預(yù)Drive3最具控制器板，搭載了預(yù)Flex的FPGA，并且RPG柵極驅(qū)動板，其中一起實際上消除小號開關(guān)損耗，可實現(xiàn)快速在100kHz切換。雙脈沖測試數(shù)據(jù)表明，Pre-Switch 軟開關(guān)平臺可將總系統(tǒng)開關(guān)損耗降低 90% 或更多（圖 4）。

在第一個切換周期 0（對應(yīng)于圖 4 左上角預(yù)覽屏幕中的“T”時），AI Pre-Switch 控制器評估多個輸入并決定系統(tǒng)處于哪種模式，然后進行安全但不軟開關(guān)所需的諧振周期的優(yōu)化估計。所有輸入和輸出都經(jīng)過準確測量和存儲，以備將來學(xué)習(xí)。完成另一個示教周期后，AI 將精細優(yōu)化整個系統(tǒng)。??

在切換周期 1 中，再次準確測量和分析由切換周期 0 產(chǎn)生的所有 AI 輸入和輸出。IA 將再次輸出類似于開關(guān)周期 0 的第二個保守諧振時間周期，以確保安全但未優(yōu)化的軟開關(guān)。?

隨后，AI 算法預(yù)測優(yōu)化的諧振時間，以確保在系統(tǒng)的各個方面以最小的損失進行完整的軟開關(guān)。在后續(xù)階段，系統(tǒng)會比較系統(tǒng)輸入和之前開關(guān)周期的結(jié)果，并調(diào)整諧振時間，以隨著負載電流的增加（藍線）充分優(yōu)化軟開關(guān)。

系統(tǒng)溫度變化、設(shè)備退化和電流急劇波動都在 Pre-Switch AI 算法中得到考慮和優(yōu)化。

“與傳統(tǒng)拓撲相比，Pre-Flex 已證明開關(guān)損耗大幅降低 (70-95%)、EMI 降低和 dV/dt 降低。該技術(shù)使低成本 IGBT 能夠與更昂貴的技術(shù)（例如 SiC MOSFET）展開競爭，并使 SiC 技術(shù)的開關(guān)速度比現(xiàn)在快 20 倍，同時解決作為硬切換架構(gòu)，”Bruce Renouard 說。

拓撲和預(yù)開關(guān)控制算法可以提供廣譜性能，根據(jù)每種類型應(yīng)用中的不同工作點提供降低功率損耗的整體包絡(luò)。


審核編輯：劉清