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人工智能架构揭开未来硅IGBT和SiC的改进

预开关的解决方案,通过将AI纳入辅助谐振换向极(Arcp)架构,消除开关损耗,允许软开关,以补偿负载电流、输入电压、器件温度、元件退化和制造公差的变化。

直到最近,电力转换行业在效率、尺寸、重量和成本方面的进步主要是由半导体晶体管的改进推动的。为了实现这些改进,新晶体管的工程目标是直截了当的:增加隔离电压,减少导通和开关损耗,降低成本。

 

数十亿美元已经--并将继续--用于追求同样的目标。今天的第七代IGBT和MOSFETs以及第三代SiC MOSFET和GaN FET远远优于前几代的功率器件。所有这些装置都是人类创造力的真正奇迹。

虽然许多不同类型的晶体管改进使我们的工业受益,但影响最大的是不断减少晶体管开关损耗。为了减少开关损耗,半导体工业致力于提高器件的转换速度。一个设备在开关状态之间转换得越快,重叠的电流和电压波形就越小,这反过来又减少了开关损耗etot(开关周期中所浪费的总开关和关断能量)。

降低开关损耗意味着设计者可以在相同或更低的损耗预算中使用更高的开关频率。更高的开关频率具有降低开关周期之间无源器件所需存储的能量量的后续好处,从而减小功率转换器的大小和成本。减少开关损耗也减少了浪费的能量和散热器的大小,以消散余热。降低开关损耗的净结果是进一步提高功率转换器的效率、体积、重量和成本。

 

前进的障碍

不幸的是,今天的许多高性能半导体晶体管技术遇到了物理障碍,限制了进一步的开关频率增益和功率转换效率。法拉第感应定律表示为V=L di/dt,这意味着电源开关的总电压(导通电压降(VSAT或IDx RDS-取决于开关类型)加上瞬态电压=电感(封装寄生和系统寄生电感)乘以电流的变化(通过器件)除以该变化的时间。简单地说,这意味着开关在开关状态之间的转换越快,整个设备产生的瞬态电压就越高。现在更快的开关的转换速度已经足够了,以至于内部电感使得器件在整个设备上都经历了超调。因此,无限快的开启时间会在整个设备上产生无限的电压,从而炸掉设备。此外,由于一些寄生电感是在发射极或源连接,这可能导致严重的振铃在栅极驱动电路,并造成过多的控制问题。

 

Switching results of fast SiC Cascode with snubber circuit to limit overshoot.
图1:快速SiC Cascode与缓冲电路的切换结果,以限制超调。

 

设计者需要限制瞬态电压超调以保护晶体管。在实践中,许多工程师购买“快”晶体管只是通过增加大的栅极驱动电阻(或缓冲器)来减缓它们的速度--这从一开始就否定了他们想要的部分或大部分效率增益。此外,这些装置的快速dv/dt降低了绝缘,导致电机中的差动轴承电流,并限制了电机与其驱动器之间的距离。总之,具有快速di/dt或dv/dt的晶体管是有问题的,需要特别注意。

 

消除开关损耗

那么,尽管法拉第面临着难以克服的挑战(V=L di/dt),我们的电力社区如何继续提高效率,同时减少规模、重量和成本呢?答案,再一次,是由人类的聪明才智驱动的--但这一次,它的重点是电力体系结构。

软开关的概念始于上世纪70年代,当时Deepak Divan(现与佐治亚理工学院合作)推出了暂时分离电流和电压波形的方法,以消除开关损耗。自那以来,谐振结构的设计目的是降低许多应用的开关损耗--但只限于负载/输入稳定的市场,无论是直流到直流,还是交流到直流变换器。这忽略了巨大的直流到交流市场,而这个市场是电动、工业电机驱动、太阳能和风能应用所需要的。

直流到交流不能软开关,因为挑战和复杂性需要改变一个强制谐振电路的定时,同时产生一个恒正弦波随负载,输入电压,温度和器件退化。其结果是,在预切换之前,还没有用于DC到AC应用程序的商业软交换体系结构(图2)。

 

Modified ARCP showing AI sensing and control. Blue shading represents RPG (resonant power gate) additional components added. Note: Pre-Switch uses low cost IGBT’s to soft-switch IGBTs, SiC MOSFETs and GaN FETs.
图2:修改后的ARCP显示AI感知和控制。蓝色阴影代表RPG(共振功率门)额外的组件添加。注:预开关采用低成本IGBT进行软开关IGBT、SiC MOSFET和GaN FET.

 

预开关公司采用了一种非常规的方法,将AI集成到先前开发的ARCP(辅助共振换位极)体系结构中(图2)。ARCP(由R.W.de Doncker和J.P.Lyons于1990年在通用电气公司发明)被许多领先的权力机构调查,但由于无法控制变化而被抛弃。预开关开发了人工智能,以感知许多输入和精细控制的ARCP,使全DC/AC和AC/DC双向软开关。

预开关的AI动态地感测和调整一个称为RPG(谐振功率门)的低成本辅助谐振电路的时序,如图2所示。零电压(ZVS)穿过工作开关。AI处理多个模拟输入,而不使用ADC IC或电流感应器,并在一个周期的基础上调整辅助谐振开关的定时。其结果是几乎完美的软开关,以补偿负载电流,输入电压,器件温度,元件退化和制造公差的变化(图4和5)。此外,AI增加了非常快速的安全和保护功能,如OVP,OCP和去饱和保护。AI不需要在生产中被裁剪,并且可以添加到许多其他架构中。

 

Pre-Switched ARCP turn-On waveform of 1200V 35mOhm MOSFET (United SiC UJ3C120040K3s) at 800V and 40A. Resonant current (green), voltage (yellow), ARCP loss (red).
图3:在800 V和40A下1200 V 35 mOhm MOSFET(统一的SiC UJ3C120040K3s)预开关ARCP开关波形。谐振电流(绿色),电压(黄色),ARCP损耗(红色)。
Pre-Switched turn-On wave form of 1200V 35mOhm MOSFET (United SiC UJ3C120040K3s) at 800V and 40A. Note lack of overlapping current (blue) and voltage (purple) wave forms resulting in virtually no switching losses (red).
图4:1200 V 35 mOhm MOSFET(统一SiC UJ3C120040K3s)在800 V和40A的预开关开启波形。注意,缺少重叠电流(蓝色)和电压(紫色)波形,导致几乎没有开关损耗(红色)。
Pre-Switched turn-Off wave form of 1200V 35mOhm MOSFET (United SiC UJ3C120040K3s) at 800V and 40A. Note the non-overlapping current (blue) and voltage (purple) wave forms and virtually no switching losses (red).
图5:1200 V 35 mOhm MOSFET(统一SiC UJ3C120040K3s)在800 V和40A下的预开关关闭波形。注意不重叠的电流(蓝色)和电压(紫色)波形,几乎没有开关损耗(红色)。

 

预开关可以实现多个新的设计模式,其结果是消除了效率抢夺、开关损耗和设备超调。在没有开关损耗的情况下,完全的开关损耗预算可以分配给导通损耗,从而减少所需晶体管的尺寸和成本(图6)。或者,开关损耗预算可以重新分配,以便让晶体管在超高的开关频率下切换,从而减少逆变器的输出纹波,从而降低它们的系统滤波器大小和成本。此外,这些新选项的任何组合都可以用于系统优化,并且体系结构将dv/dt调整到系统级别上所需的任何值。

预切换使客户能够比硬开关IGBT系统快4x-5倍,比硬开关SiC和GaN系统快10-20倍。在基于SiC的电动汽车逆变器的情况下,将FSW从无处不在的10 kHz增加到100 kHz或300 kHz会产生一个几乎完美的正弦波,而不需要任何输出滤波器。其结果是消除了不必要的电机铁损耗,提高了电机在低转矩和低转速下的效率。更高的开关频率也使更高的RPM电机更轻,更低的成本。

在一个没有开关损耗的世界中,通过对整个系统进行效率和成本的分析,可以得到最好的优化。例如,许多电动汽车公司有独立的逆变器、电机和电池团队。如果在逆变器团队中采用预开关技术,他们很可能希望消除开关损耗,以节省晶体管和散热片的成本--所有这些都会产生更高效率的逆变器(图6垂直轴)。谁能怪他们?但真正的目标是“电池到车轮的效率”,在电动汽车的范围内测量。在这种情况下,电机团队应该被问到,如果他们的电机是从逆变器得到一个纯正弦波,那么在整个驱动剖面上还能达到多大的EV范围。要实现纯正弦波,设计自由度应优化与超高速开关频率(图6水平轴),这大大提高了低扭矩效率,从而增加电动汽车的范围。

 

IGBT value propositions of using Pre-Switching in an IGBT system.

图6:IGBT在IGBT系统中使用预开关的价值主张.

 

SiC测试结果解释

表1A中的硬切换和预切换比较双脉冲试验(DPT)在……上面预开关清洁波200评估系统(图7)使用联合碳化硅的UJ3C120040K3S在一个3针TO 247离散封装。为了测量硬切换的DPT数据,所有ARCP软交换组件都从相同的清洁波板中删除,用于相同的设备。测量的硬切换结果超出了制造商的数据表规范,因此进一步努力减少硬切换结果。在此过程中,发现CleanWve 200中使用的UJ3C系列部件是为软交换应用程序而不是硬交换应用程序优化的。为了透明起见,预开关在表1中增加了B和C部分,显示了与其他设备相比,基于数据表规范的测量增益。

 

CleanWave200 evaluation system (200kW inverter power block, 800Vdc, 99% efficiency at 100kHz).
图7:清洁波200评估系统(200 kW逆变电源块,800 Vdc,99%的效率在100 kHz)。

 

此外,表1所示的ARCP损失是保守的。这是因为预开关大小的ARCP组件使用在清洁波200的当前能力的三个开关并联在每个开关位置,只有一个开关被使用在DPT。这意味着表1中测量的ARCP损失(是在单个开关上测量的)超过了总损失的代表,工程师将期望在优化的系统中看到。

 

  硬切换 预切换 测值
储蓄
器件损耗 器件损耗 ARCP损失 总损失
开机 2.513 0 0.218 0.218 91%
关机 1.246 0 0 0 100%
埃托尔 3.759 0 0.218 0.218 94%
表1a:清洁波200双脉冲测试数据:被测硬切换到同一设备上的预开关,
  硬切换 预切换

储蓄与数据
单张相同
装置

数据表规格。 器件损耗 ARCP损失 总损失
开机 1.945 0 0.218 0.218 89%
关机 0.55 0 0 0 100%
埃托尔 2.495 0 0.218 0.218 91%
表1b:清洁波200双脉冲测试数据:数据表数据与测量的预切换数据比较
  硬切换 预切换

储蓄与储蓄
不同装置
数据表

数据表规格 器件损耗 ARCP损失 总损失
开机 1.306 0 0.218 0.218 83%
关机 0.21 0 0 0 100%
埃托尔 1.516 0 0.218 0.218 86%
表1c:不同设备上的数据表数据与预开关测量数据相比。

 

如何利用预切换技术进行设计

预开关主要用于支持要求超过350 V和功率范围>50 kW的应用.当技术规模扩大到更小的电力转换器时,该公司却故意拖延这些市场。预开关销售清洁波200评估系统,让客户评估周期通过周期适应的预开关,基于人工智能的软交换,并探索更高的开关频率的好处,在他们的应用。CleanWve 200表示具有PWM接口的逆变器的功率块。该系统双向转换800 VDC为三相交流,功率可达200 kW,FSW为100 kHz,效率为99%。

现在,预开关已经是其第四年的业务了,它还提供设计服务来定制rpg(共振电源门)板,以补充该公司的三相软开关控制器板。预驱动3。对于同样设计的100 K以上的客户,预置交换机将把设计服务捆绑在其预Flex IC的销售上。

 

未来就是现在

权力转换世界从来没有像现在这样令人兴奋--真正的权力革命才刚刚开始。电动汽车、公共汽车、拖拉机、飞机、火车、船只、摩托车、机器人、无人驾驶飞机等几乎无法穿透我们的生活。这场革命由PreSwitch的人工智能控制体系结构引发,能够实现软开关的DC/AC和AC/DC,现在正在提供未来几十年的晶体管增量创新。一个没有改变损失的世界改变了一切。系统级的好处现在延伸到了孤零零的逆变子系统.纯正弦波逆变器的输出范围比电动汽车高5%-12%,不再是“未来”。大大提高开关频率的二阶好处现在已经可以实现。现在是时候增加电机极数,用更高的速度原理驱动它们,从而提高它们的功率密度,同时缩小体积和成本。现在是时候缩小太阳能逆变器、风力涡轮机、VFD、OBC和快速直流包机,同时消除它们的冷却风扇了。

好好想想。一个没有开关损耗的世界终于到来了。


(责任编辑:ioter)

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