電源轉換器的人工智能

新材料、創新封裝和先進的數字控制技術可幫助工程師和設備制造商提高轉換效率并降低功耗、重量和成本。

根據 GTM Research 發布的最新全球太陽能需求監測報告，到 2022 年，年太陽能系統安裝量將保持在 100 吉瓦以上。顯然，太陽能光伏發電 (PV) 發電量的增長應進一步提高，以滿足太陽能發電的需求。越來越干凈的星球。在任何情況下，所有這些功率都必須由電力電子和功率半導體進行處理、控制、分配和再轉換。

此外，鋰離子（Li-ion）電池成本的大幅降低，為以汽車電動化革命為代表的電力電子開辟了廣闊的新市場。分析人士估計，隨著成本越來越低，電池的安裝量會很大。麥肯錫最近發表的一項研究預測，到 2030 年，鋰離子電池的年需求量將達到 2,900 GWh（圖 1）。

圖 1：以千兆瓦時為單位的年度鋰離子電池需求和以美元為單位的成本趨勢（圖片：Pre-Switch Inc.）

硬開關和軟開關

當晶體管導通或關斷時，到達下一個工作狀態所需的過渡時間很短，但不是瞬時的，會產生能量損耗（開關損耗）的浪費。開關損耗占功率轉換器損耗的很大一部分。

硬開關只是通過增加電流或電壓來強制晶體管打開和關閉，以啟用修改后的狀態。眾所周知，硬開關對晶體管的硬件要求很高，并且會縮短它們的使用壽命。

使用硬開關的電源轉換器必須平衡開關頻率的增加與損耗的需求，以滿足所需的系統效率。在實踐中，這意味著需要高效率的系統必須緩慢切換以提高效率。設計人員必須采用更大的能量存儲解決方案，以在晶體管開關周期之間保持較長時間的功率。

開關頻率的降低意味著諧波失真的增加，從而導致使用輸出濾波器。

在實踐中，硬開關限制了晶體管的最大工作開關頻率。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。提高開關頻率以減小系統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損耗。這可以通過增加一個更大的晶體管來解決，但會增加系統的成本。在沒有開關損耗的情況下，晶體管可以更快地自由切換或為大功率應用處理更多電流（圖 2）。

另一方面，軟開關的概念是使用外部電路來避免開關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。有了自諧振，就有一個自振蕩電路，這會降低開關損耗，提高效率，減少電磁干擾。應用劣勢限制了它在 DC/DC 轉換器的電源轉換器市場。

強制諧振軟開關拓撲具有與自諧振相同的優點，但計算要求高、笨重，并且對不同輸入條件和負載范圍的適應性有限。

圖 2：硬開關架構（圖片：Pre-Switch Inc.）

用于開關技術的 AI

近年來，許多 AC/DC、DC/DC 和 DC/AC 解決方案都專注于開發具有更低導通損耗的更快開關器件以及開發新的開關拓撲。IGBT 仍然是各種轉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。有許多可用的布局技術，工程師可以根據應用優化他們的解決方案。

場截止溝道 IGBT 在降低損耗方面提供了顯著的改進。大多數來自領先制造商的最新一代 IGBT 使用結構幾何組合來優化能量集中。

然而，更新和更復雜的制造工藝的材料限制和額外的實施成本仍然是使用傳統組件優化系統效率改進的一個具有挑戰性的障礙。

在高壓應用中，GaN 和 SiC 解決方案的使用越來越受歡迎，因為它們可以降低開關損耗，因此可以選擇提高開關頻率。工作頻率提高的直接影響將對太陽能逆變器市場產生切實的影響，例如，輸出電感器的尺寸、重量和成本可能會大幅降低。

增加頻率意味著需要包含噪聲及其瞬態。如果電源轉換器的操作仍然依賴于傳統的開關架構，那么大規模使用新的電源開關可能仍然遙不可及。

“通過降低頻率，我們進入了軟開關市場，” Pre-Switch Inc 的首席執行官 Bruce Renouard 說。然而，簡單地使用更快的器件增加晶體管轉換時間會導致無法容忍的 dV/dt 和 EMI 水平。“軟開關仍僅用于自諧振 DC/DC 電源轉換器。隔離式軟開關 DC/AC 電源轉換器從未完善過，這就是為什么能源工程師將用于大功率 AC/DC 的軟開關稱為電力電子的“圣杯”。”

Pre-Switch 通過采用內置人工智能集成電路（稱為 Pre-Flex）解決了軟開關問題，該集成電路可以精確控制和調整非常小的低成本諧振電路的時序，以確保最小的重疊開關器件的電流和電壓波形。

內置 AI 的軟開關可將開關損耗降低 70% 至 95%，并解決與更快晶體管相關的 dV/dt 問題。

“Pre-Switch 可確保在比以往更高的開關頻率下實現準確的軟開關并降低 EMI，”Renouard 說。

Pre-Flex 集成電路逐個周期地學習并適應不斷變化的系統輸入和設備條件，以確保最佳軟開關。在實踐中，盡管輸入電壓、輸出負載、系統溫度和制造公差存在變化，它仍將每個晶體管鎖定在可靠的強制諧振軟開關中（圖 3）。

圖 3：Pre-Switch 架構（圖片：Pre-Switch Inc.）

該技術已用于以超過 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。與系統級別相比，添加此設備的成本節省微不足道。此外，Pre-Switch 技術可用于升級現場現有的硬開關系統。Pre-Flex 已集成到標準驅動板中，用于半橋配置的 1,200-V 225-A EconoDUAL。

“Pre-Flex 設計用于半橋、全橋或三相配置電源轉換器，”Renouard 說。“每個 IC 都包括一個內置串行通信端口，用于傳達故障條件，還包括 Pre-Switch Blink，確保在逐個周期的基礎上實現最大的安全功能。Pre-Flex IGBT 系列的頻率限制為 100 kHz，通常可消除 70% 至 85% 的系統開關損耗。Pre-Flex SiC/GaN 系列頻率限制為 1 MHz，通常可消除系統中 90% 至 95% 的總開關損耗，包括額外器件的開銷。此外，該架構具有內置的無損 dV/dt 濾波器。”

結論

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

表 1：Pre-Switch 技術改進后的數據分析（圖片：Pre-Switch Inc.）

圖 4：信號分析和 AI 控制行為（圖片：Pre-Switch Inc.）

“Pre-Switch 使客戶能夠構建開關頻率比硬開關 IGBT 系統快 4 倍 5 倍，比硬開關 SiC 和 GaN 系統快 35 倍的系統，”Renouard 說。“這是通過一半的晶體管數量實現的。對于基于 SiC 的 EV 逆變器，將開關頻率從普遍存在的 10 kHz 提高到 100 kHz 或 300 kHz 可以在沒有任何輸出濾波器的情況下產生近乎完美的正弦波。結果是消除了不必要的電機鐵損并在低扭矩和低轉速下提高了電機效率。更高的開關頻率還可以實現更輕、成本更低的更高轉速電機。”

CleanWave 200-kW SiC汽車逆變器評估系統使電源設計工程師能夠研究公司的軟開關架構和平臺在不同負載、溫度、器件容差和退化條件下的準確性。該平臺包括由 Pre-Flex FPGA 供電的 Pre-Drive3 控制器板和 RPG 柵極驅動器板，它們共同消除了開關損耗，實現了 100 kHz 的快速開關。雙脈沖測試數據表明，Pre-Switch 軟開關平臺可將系統總開關損耗降低 90% 或更多（圖 4）。