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基于人工智能的软开关电源转换器

2020-04-21 16:47 来源:电源网编译 编辑:咩咩

目前电力电子的状态越来越集中在可靠的电力转换器,可以降低整个系统的成本。随着时间的推移,工程方法已经转向泄漏去除,使用比硅更高的性能半导体材料,如碳化硅和氮化镓。

新材料、创新的包装和先进的数字控制技术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,太阳能系统的年装机容量将保持在1亿千瓦以上。很明显,太阳能光伏发电的增长应该进一步提高,以满足日益清洁的地球的需求。无论如何,所有的电力都必须经过处理、控制和分配,并通过电力电子器件和电力半导体进行再转换。

此外,锂离子电池成本的大幅降低为电力电子开辟了一个巨大的新市场,以汽车电动汽车革命为代表。分析人士估计,大量安装电池的成本将越来越低。麦肯锡最近发布的一项研究预测,到2030年,锂离子电池的年需求量将达到2900千兆瓦时(图1)。

基于人工智能的软开关电源转换器

图1:锂离子电池年需求量(GWh)和成本趋势(美元)[来源:Pre-Switch Inc .]

硬、软开关

当晶体管打开或关闭时,过渡时间需要达到下一个工作状态是非常短的,但它不是瞬时的,并产生能源损耗浪费(开关损耗)。开关损耗占功率变换器损耗的很大比例。

硬开关仅仅是通过增加电流或电压来实现晶体管的开关状态。硬开关被认为是非常硬件要求的晶体管和缩短他们的寿命。

使用硬开关的功率变换器必须平衡开关频率的增加和所需的损耗,以满足所需的系统效率。在实践中,这意味着需要高效率的系统必须缓慢地转换以获得效率。设计人员必须使用更大的能量存储解决方案,以便在晶体管切换周期之间更长的时间内保持功率。

开关频率的降低意味着谐波失真的增加,从而导致输出滤波器的使用。

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操作性,必须有效地控制所涉及的各种损耗。增加开关频率来减小系统的尺寸意味着晶体管必须携带更少的工作电流来承受更高的开关损耗。这可以通过在系统中增加一个更大的晶体管来解决。在没有开关损耗的情况下,晶体管可以自由地更快地开关,或在大功率应用中处理更多的电流(图2)。

另一方面,软开关的概念是使用外部电路,以避免开关晶体管时电压和电流波形的重叠。有两种类型:自共振和强制共振。在第一种情况下,有一个自振荡电路,这导致了开关损耗的减少,效率的提高和电磁干扰的减少。它的应用缺点限制了它在DC/DC变换器的功率变换器市场上的应用。

基于人工智能的软开关电源转换器

图2:硬切换架构[来源:Pre-Switch Inc.]

强制共振软开关拓扑具有与前一种拓扑相同的优点,但计算要求高、麻烦、对不同输入条件和负载范围的适应性有限。

人工智能转换技术

近年来,许多AC/DC、DC/DC、DC/AC解决方案都致力于开发更快、更低导通损耗的开关器件和开发新的开关拓扑。IGBT仍然是各种转炉解决方案中使用的标准,随着成本的降低,SiC和GaN变得越来越普遍。有许多可用的布局技术,工程师可以根据应用优化他们的解决方案。

现场停止沟IGBTs在减少损失方面提供了一个显著的改进。来自领先制造商的最新一代igbt大多使用结构几何组合来实现优化的能量集中。

然而,对于更新和更复杂的制造过程来说,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的一个具有挑战性的障碍。

在高压应用中,氮化镓和碳化硅溶液的使用越来越受欢迎,因为它们提供了更低的开关损耗,因此可以选择增加开关频率。工作频率的增加将对太阳能逆变器市场产生切实的直接影响,例如,输出电感器的尺寸、重量和成本将大幅降低。

增加频率意味着需要包含噪声及其瞬态。如果功率转换器的操作仍然与传统的开关结构相联系,那么大规模使用新的功率开关可能仍然是遥不可及的。

“通过降低频率,我们进入了软开关市场。软开关目前仅用于自谐振DC/DC功率变换器中。独立软开关DC/AC电源转换器从来没有被完善过,这就是为什么能源工程师称高功率AC/DC的软开关为电力电子的“圣杯”,Pre-Switch公司的首席执行官Bruce Renouard说。然而,简单地增加晶体管过渡时间与更快的设备导致无法忍受的水平的dV/dt和电磁干扰。

Pre-Switch利用内置的人工智能(AI)集成电路(称为Pre-Flex)解决了软开关的问题,该集成电路精确地控制和调整一个非常小的、低成本的谐振电路的定时,以确保开关设备的电流和电压波形的最小重叠。

内置人工智能的软开关能减少70-95%的开关损耗,解决与更快的晶体管相关的dV/dt问题。

布鲁斯·雷诺德(Bruce Renouard)表示:“预开关可以在比以前更高的开关频率下确保精确的软开关并降低EMI。”

Pre-Flex集成电路逐周期学习并适应不断变化的系统输入和设备条件,以确保实现最佳的软开关。实际上,尽管输入电压、输出负载、系统温度和制造公差存在变化,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)。

基于人工智能的软开关电源转换器

图3:切换前架构[来源:Pre-Switch Inc.]

该技术已被用于以高于100kHz的频率开关600V IGBT晶体管和以1MHz的频率开关900V碳化硅晶体管。与系统级别的设备相比,添加此设备可节省的成本微不足道。此外,预切换技术可用于在现场升级现有的硬交换系统。Pre-Flex已集成到半桥配置的1200V 225A EconoDUAL标准驱动板中。

“ Pre-Flex旨在与半桥,全桥或三相配置电源转换器一起使用。每个IC都具有一个内置的串行通信端口来传达故障情况,还包括Pre-Switch Blink™,它可以确保每个周期的最大安全性。 Pre-Flex IGBT系列的频率限制为100 kHz,通常可消除70%至85%的系统开关损耗。 Pre-Flex SiC / GaN系列的频率限制为1Mhz,通常可消除系统中总开关损耗的90-95%,包括额外设备的开销。此外,该架构还具有内置的无损dV / dt滤波器。” Bruce Renouard说。

结论

如表1所示,Pre-Flex的使用已在主要参数上显示出明显的改进。X-Factor是归一化的系数,该系数表示使用Pre-Switch AI控制算法技术可将设备切换的速度快了多少倍。与硬交换同一设备相比,损失相同。该因素表明电流和开关频率都有改善的性能。

基于人工智能的软开关电源转换器

表1:数据分析以及预切换技术的改进[来源:Pre-Switch Inc.]

“ Pre-Switch使客户能够构建其开关频率比其硬开关IGBT系统快4到5倍,比其硬开关SiC和GaN系统快35倍的系统:这是通过晶体管数量的一半实现的。对于基于SiC的EV逆变器,将开关频率从无处不在的10kHz提高到100kHz或300kHz会产生几乎完美的正弦波,而无需任何输出滤波器。结果是消除了不必要的电动机铁损,并在低转矩和低RPM时提高了电动机效率。更高的开关频率还可以使更高的RPM电机更轻,成本更低。” 布鲁斯·雷诺德说。

基于人工智能的软开关电源转换器

图4:信号分析和AI控制行为[来源:Pre-Switch Inc.]

CleanWave 200kW碳化硅(SiC)汽车逆变器评估系统使电源设计工程师能够研究该公司软开关架构和平台在变化的负载、温度、器件容差和降级条件下的准确性。该平台包括由Pre-Flex FPGA供电的Pre-Drive3控制器板和RPG栅极驱动器板,它们几乎消除了开关损耗,实现了100kHz的快速开关。双脉冲测试数据表明,Pre-Switch软开关平台将系统总开关损耗降低了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确定系统处于哪种模式,然后使系统安全,但不软开关所需的谐振周期的最佳估计。所有输入和输出均经过精确测量并存储以供将来学习。在完成另一个示教周期后,AI将优化整个系统。

在开关周期1中,再次精确地测量和分析了由开关周期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,以确保未优化的软开关安全。

随后,AI算法预测了优化的谐振时间,以确保在系统所有方面以最小的损失实现完整的软开关。在随后的阶段中,系统将系统输入与先前开关周期的结果进行比较,并调整谐振时间以随着负载电流的增加(蓝线)完全优化软开关。

在切换前AI算法中,会考虑到系统温度变化、器件性能下降和急剧的电流波动并都得到了优化。

“与传统拓扑相比,Pre-Flex已证明开关损耗(70-95%)显着降低,EMI降低,dV / dt降低。该技术使低成本IGBT能够与SiC MOSFET等更昂贵的技术竞争,并使SiC技术的开关速度比当今快20倍,同时解决了dV / dt和EMI副产品产生的EMI问题。硬交换架构。” 布鲁斯·雷诺德说。

拓扑和切换前控制算法可以提供广谱性能,根据每种应用程序中的不同工作点,为降低功耗提供了一个总体范围。

本文编译自powerelectronicsnews。

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