電源轉(zhuǎn)換器的人工智能

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)換效率并降低功耗、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，年太陽能系統(tǒng)安裝量將保持在 100 吉瓦以上。顯然，太陽能光伏發(fā)電 (PV) 發(fā)電量的增長應(yīng)進一步提高，以滿足太陽能發(fā)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(dǎo)體進行處理、控制、分配和再轉(zhuǎn)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(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 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(guān)和軟開關(guān)

當(dāng)晶體管導(dǎo)通或關(guān)斷時，到達下一個工作狀態(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)損耗占功率轉(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晶體管打開和關(guān)閉，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，并且會縮短它們的使用壽命。

使用硬開關(guān)的電源轉(zhuǎn)換器必須平衡開關(guān)頻率的增加與損耗的需求，以滿足所需的系統(tǒng)效率。在實踐中，這意味著需要高效率的系統(tǒng)必須緩慢切換以提高效率。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。

在實踐中，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。提高開關(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。這可以通過增加一個更大的晶體管來解決，但會增加系統(tǒng)的成本。在沒有開關(guān)損耗的情況下，晶體管可以更快地自由切換或為大功率應(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。有了自諧振，就有一個自振蕩電路，這會降低開關(guān)損耗，提高效率，減少電磁干擾。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。

強制諧振軟開關(guān)拓撲具有與自諧振相同的優(yōu)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(yīng)性有限。

圖 2：硬開關(guān)架構(gòu)（圖片：Pre-Switch Inc.）

用于開關(guān)技術(shù)的 AI

近年來，許多 AC/DC、DC/DC 和 DC/AC 解決方案都專注于開發(fā)具有更低導(dǎo)通損耗的更快開關(guān)器件以及開發(fā)新的開關(guān)拓撲。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。有許多可用的布局技術(shù)，工程師可以根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化他們的解決方案。

場截止溝道 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使用傳統(tǒng)組件優(yōu)化系統(tǒng)效率改進的一個具有挑戰(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，因為它們可以降低開關(guān)損耗，因此可以選擇提高開關(guān)頻率。工作頻率提高的直接影響將對太陽能逆變器市場產(chǎn)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(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，” Pre-Switch Inc 的首席執(zhí)行官 Bruce Renouard 說。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。“軟開關(guān)仍僅用于自諧振 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器。隔離式軟開關(guān) DC/AC 電源轉(zhuǎn)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(guān)稱為電力電子的“圣杯”。”

Pre-Switch 通過采用內(nèi)置人工智能集成電路（稱為 Pre-Flex）解決了軟開關(guān)問題，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序，以確保最小的重疊開關(guān)器件的電流和電壓波形。

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

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

Pre-Flex 集成電路逐個周期地學(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(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 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)可用于升級現(xiàn)場現(xiàn)有的硬開關(guān)系統(tǒng)。Pre-Flex 已集成到標準驅(qū)動板中，用于半橋配置的 1,200-V 225-A EconoDUAL。

“Pre-Flex 設(shè)計用于半橋、全橋或三相配置電源轉(zhuǎn)換器，”Renouard 說。“每個 IC 都包括一個內(nèi)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(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?？上?70% 至 85% 的系統(tǒng)開關(guān)損耗。Pre-Flex SiC/GaN 系列頻率限制為 1 MHz，通?？上到y(tǒng)中 90% 至 95% 的總開關(guān)損耗，包括額外器件的開銷。此外，該架構(gòu)具有內(nèi)置的無損 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關(guān)頻率方面的性能有所提高。

表 1：Pre-Switch 技術(shù)改進后的數(shù)據(jù)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(gòu)建開關(guān)頻率比硬開關(guān) IGBT 系統(tǒng)快 4 倍 5 倍，比硬開關(guān) SiC 和 GaN 系統(tǒng)快 35 倍的系統(tǒng)，”Renouard 說。“這是通過一半的晶體管數(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(chǎn)生近乎完美的正弦波。結(jié)果是消除了不必要的電機鐵損并在低扭矩和低轉(zhuǎn)速下提高了電機效率。更高的開關(guān)頻率還可以實現(xiàn)更輕、成本更低的更高轉(zhuǎn)速電機?！?

CleanWave 200-kW SiC汽車逆變器評估系統(tǒng)使電源設(shè)計工程師能夠研究公司的軟開關(guān)架構(gòu)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(qū)動器板，它們共同消除了開關(guān)損耗，實現(xiàn)了 100 kHz 的快速開關(guān)。雙脈沖測試數(shù)據(jù)表明，Pre-Switch 軟開關(guān)平臺可將系統(tǒng)總開關(guān)損耗降低 90% 或更多（圖 4）。

在第一個開關(guān)周期 0（對應(yīng)于圖 4左上角預(yù)覽屏幕中的“T” ），AI Pre-Switch 控制器評估多個輸入并決定系統(tǒng)處于哪種模式，然后進行安全但不優(yōu)化軟開關(guān)所需的諧振周期估計。所有輸入和輸出都經(jīng)過準確測量和存儲，以供將來學(xué)習(xí)。在另一個示教周期完成后，人工智能將對整個系統(tǒng)進行精細優(yōu)化。

在開關(guān)周期 1 中，再次準確測量和分析由開關(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，人工智能算法預(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耗完成軟開關(guān)。在隨后的階段，系統(tǒng)比較系統(tǒng)輸入和先前開關(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充分優(yōu)化軟開關(guān)（藍線）。

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

審核編輯：劉清