基于AI的电源转换器软开关

当前电力电子的状态越来越关注能够降低整个系统成本的可靠电源转换器。随着时间的推移，工程方法已经针对泄漏去除，使用比硅更高性能的半导体材料，例如 SiC 和 GaN。

新材料、创新封装和先进的数字控制技术可帮助工程师和设备制造商提高转换效率，减少功率损耗、重量和成本。

根据 GTM Research 发布的最新全球太阳能需求监测报告，到 2022 年太阳能系统的年安装量将保持在 100 吉瓦以上。很明显，太阳能光伏发电的增长应进一步推动，以满足日益清洁的地球的需求. 无论如何，所有这些电力都必须由电力电子设备和电力半导体进行处理、控制和分配，并进行再转换。

此外，锂离子电池成本的大幅降低，为以汽车电动汽车革命为代表的电力电子开辟了广阔的新市场。分析师估计，随着成本的不断降低，电池的大量安装。麦肯锡最近发表的一项研究预测，到 2030 年，锂离子电池的年需求量将达到 2900 GWh（图 1）。

图 1：以 GWh 为单位的年度锂离子电池需求和以美元计算的成本趋势

硬软切换

当晶体管导通或关断时，达到下一个工作状态所需的过渡时间很短，但不是瞬时的，会产生能量损耗（开关损耗）的浪费。开关损耗占电源转换器损耗的很大一部分。 

硬开关只是通过增加电流或电压来强制开启和关闭晶体管以启用修改后的状态。众所周知，硬开关对晶体管的硬件要求很高，并缩短了它们的使用寿命。  

使用硬开关的电源转换器必须在开关频率的增加与损耗需求之间取得平衡，以满足所需的系统效率。实际上，这意味着需要高效率的系统必须缓慢切换才能获得效率。设计人员必须采用更大的能量存储解决方案，以在晶体管开关周期之间保持较长时间的功率。

开关频率的降低意味着谐波失真的增加，从而导致使用输出滤波器。

实际上，硬开关限制了晶体管的最大工作开关频率。晶体管在散热方面具有最大的可 *** 作性，必须在所涉及的各种损耗之间进行有效管理。增加开关频率以减小系统尺寸意味着晶体管必须承载更少的工作电流以承受更高的开关损耗。这可以通过向系统添加更大的晶体管来解决，但需要额外的成本。如果没有开关损耗，晶体管将可以更快地自由切换或为高功率应用处理更多电流（图 2）。

另一方面，软开关的概念是使用外部电路来避免开关晶体管时电压和电流波形的重叠。有两种类型：自谐振和强制谐振。在第一种情况下，有一个自振荡电路，这导致开关损耗的减少、效率的提高和电磁干扰的减少。应用劣势限制了它在 DC/DC 转换器的电源转换器市场。

图 2：硬交换架构 

强制谐振软开关拓扑具有与前一种相同的优点，但计算要求高、繁琐且对不同输入条件和负载范围的适应性有限。 

用于切换技术的 AI

近年来，许多 AC/DC、DC/DC、DC/AC 解决方案都专注于开发速度更快、传导损耗更低的开关器件以及新开关拓扑的开发。IGBT 仍然是各种转换器解决方案中使用的标准，随着成本的降低，SiC 和 GaN 变得越来越流行。有很多可用的布局技术，工程师可以根据应用优化他们的解决方案。

场终止沟槽 IGBT 在降低损耗方面提供了显着的改进。大多数来自领先制造商的最新一代 IGBT 使用结构几何的组合来优化能量集中。

然而，更新和更复杂的制造工艺的材料限制和额外的实施成本仍然是传统组件优化系统效率提高的一个具有挑战性的障碍。

在高压应用中，GaN 和 SiC 解决方案的使用越来越受欢迎，因为它们降低了开关损耗，因此可以选择增加开关频率。工作频率增加的直接影响将对太阳能逆变器市场产生切实影响，例如，输出电感器的尺寸、重量和成本可能会大幅减少。

增加频率意味着需要控制噪声及其瞬态。如果电源转换器的 *** 作仍然依赖于传统的开关架构，那么大规模使用新的电源开关可能仍然遥不可及。

“通过降低频率，我们进入了软开关市场。软开关仍仅用于自谐振 DC/DC 电源转换器。Pre-Switch Inc首席执行官 Bruce Renouard 表示，隔离式软开关 DC/AC 电源转换器从未完美无缺，这就是为什么能源工程师将高功率 AC/DC 的软开关称为电力电子的“圣杯” 。然而，简单地使用更快的器件增加晶体管转换时间会导致无法容忍的 dV/dt 和 EMI 水平。

Pre-Switch 通过采用内置人工智能 (AI) 集成电路（称为 Pre-Flex）解决了软开关问题，该集成电路可精确控制和调整非常小的低成本谐振电路的时序，以确保最小开关器件的电流和电压波形重叠。

内置 AI 的软开关可将开关损耗降低 70-95%，并解决与更快晶体管相关的 dV/dt 问题。

“在比以往更高的开关频率下，Pre-Switch 可确保准确的软开关并降低 EMI，”Bruce Renouard 说

Pre-Flex 集成电路逐个周期地学习和适应不断变化的系统输入和设备条件，以确保最佳软开关。在实践中，尽管输入电压、输出负载、系统温度和制造公差发生变化，但它仍将每个晶体管锁定在可靠的强制谐振软开关中（图 3）。

图 3：Pre-Switch 架构 

该技术已用于开关频率超过 100kHz 的 600V IGBT 晶体管和频率为 1 MHz 的 900V 碳化硅晶体管。添加这种设备具有显着的成本小号当在系统级相比节约。此外，Pre-Switch 技术可用于升级现场现有的硬开关系统。Pre-Flex 已集成到半桥配置中的 1200V 225A EconoDUAL 的标准驱动器板中。

“Pre-Flex 旨在与半桥、全桥或三相配置电源转换器配合使用。每个 IC 都包含一个内置串行通信端口来传达故障条件，还包括 Pre-Switch Blink™，可确保在逐个周期的基础上实现最大的安全功能。Pre-Flex IGBT 系列的频率限制为 100 kHz，通常可消除 70-85% 的系统开关损耗。Pre-Flex SiC/GaN 系列的频率限制为 1Mhz，通常可消除系统中 90-95% 的总开关损耗，包括额外设备的开销。此外，该架构并有一个内置的无损的dV / dt滤波器，”布鲁斯说Renouard。

结论

使用Pre-Flex后，主要参数有了明显的提升，如表1所示。 X-Factor是一个归一化系数，表示使用Pre-Switch AI控制算法技术可以使设备切换速度提高多少倍。与硬开关的同一设备相比，损耗相同。该因素表明在电流和开关频率方面的性能有所提高。

表 1：数据分析以及随之而来的 Pre-switch 技术改进

“Pre-Switch 使客户能够构建开关频率比硬开关 IGBT 系统快 4 到 5 倍、比硬开关 SiC 和 GaN 系统快 35 倍的系统：这是用一半的晶体管数量实现的。对于基于 SiC 的 EV 逆变器，将开关频率从无处不在的 10kHz 增加到 100kHz 或 300kHz，可以在没有任何输出滤波器的情况下创建近乎完美的正弦波。结果是消除了不必要的电机铁损并提高了低扭矩和低转速下的电机效率。更高的开关频率还可以实现更轻、成本更低的更高 RPM 电机，”Bruce Renouard 说。

所述CleanWave 200kW的碳化硅（SiC）车载逆变器评价系统使电力设计工程师调查公司的软交换架构的准确性和平台在变化的负载，温度，装置容差，和降解的条件。该平台包括预Drive3最具控制器板，搭载了预Flex的FPGA，并且RPG栅极驱动板，其中一起实际上消除小号开关损耗，可实现快速在100kHz切换。双脉冲测试数据表明，Pre-Switch 软开关平台可将总系统开关损耗降低 90% 或更多（图 4）。

在第一个切换周期 0（对应于图 4 左上角预览屏幕中的“T”时），AI Pre-Switch 控制器评估多个输入并决定系统处于哪种模式，然后进行安全但不软开关所需的谐振周期的优化估计。所有输入和输出都经过准确测量和存储，以备将来学习。完成另一个示教周期后，AI 将精细优化整个系统。  

在切换周期 1 中，再次准确测量和分析由切换周期 0 产生的所有 AI 输入和输出。IA 将再次输出类似于开关周期 0 的第二个保守谐振时间周期，以确保安全但未优化的软开关。 

随后，AI 算法预测优化的谐振时间，以确保在系统的各个方面以最小的损失进行完整的软开关。在后续阶段，系统会比较系统输入和之前开关周期的结果，并调整谐振时间，以随着负载电流的增加（蓝线）充分优化软开关。

系统温度变化、设备退化和电流急剧波动都在 Pre-Switch AI 算法中得到考虑和优化。

“与传统拓扑相比，Pre-Flex 已证明开关损耗大幅降低 (70-95%)、EMI 降低和 dV/dt 降低。该技术使低成本 IGBT 能够与更昂贵的技术（例如 SiC MOSFET）展开竞争，并使 SiC 技术的开关速度比现在快 20 倍，同时解决作为硬切换架构，”Bruce Renouard 说。

拓扑和预开关控制算法可以提供广谱性能，根据每种类型应用中的不同工作点提供降低功率损耗的整体包络。


审核编辑：刘清