基於AI的軟開關可改善電源轉換器
2020-07-23
作者
Maurizio di Paolo Emilio，Power Electronics News & EEWeb主編
目前功率電子的一個發展趨勢是專注於可靠的電源轉換器，以降低整個系統的成本。其工程實現方法開始更多採用比矽更好的高性能半導體材料，如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)，以消除漏電流。
目前功率電子的一個發展趨勢是專注於可靠的電源轉換器，以降低整個系統的成本。其工程實現方法開始更多採用比矽更好的高性能半導體材料，如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)，以消除漏電流。
新的材料、創新的封裝，以及先進的數位控制技術有助於工程師和設備製造商提升轉換效率、降低功耗損失，並縮減設備尺寸和成本。
據GTM市調機構發佈的最新《全球太陽能需求觀察(Global Solar Demand Monitor)》報告統計，到2022年，太陽能系統的年安裝量將保持在100GW以上。顯然，透過太陽能PV發電將會持續增長，以滿足全球環保的需求。無論採用什麼樣的發電形式，所有的電力都必須經過處理、控制和傳輸，並透過功率電子和功率半導體元件轉換，以便為各種設備供電。
此外，鋰離子電池成本的驟降也為功率電子打開了新的市場，尤其是汽車電動化革命。有業界分析人士預測，電池安裝量的普及將極大地降低成本。麥肯錫(McKinsey)最近的一個研究報告預測，到2030年鋰離子電池的年需求量將達到2,900GWh(圖1)。
圖1 鋰電池年需求量(GWh)與成本走勢(單位：美元)。(資料來源：Pre-Switch)
硬開關和軟開關
當電晶體導通或關斷時，進入下一個工作狀態的切換時間雖然很短，但並不是即時的，因此會造成能量損耗(開關損耗)，這種開關損耗佔據了電源轉換器損耗的一大部分。
硬開關就是透過為電晶體施加電壓或電流，簡單地強制它導通和關斷以改變工作狀態。硬開關對電晶體硬體的要求較高，往往會縮短其使用壽命。
採用硬開關的電源轉換器必須在開關頻率的增加與能量損耗之間達到平衡，以滿足所期望的系統能效要求。在實際設計中，期望高能效的系統不得不透過降低開關頻率來獲得效率。設計人員必須採用較大的儲能方案，以便在電晶體開關轉換期間將電能維持較長時間。
開關頻率的降低意味著諧波失真的增加，結果就不得不使用輸出濾波器。
在實際設計中，硬開關會限制電晶體的最大開關頻率。電晶體要想達到最佳工作性能，必須有效控制所涉及的各種功耗，以達到最佳散熱狀態。提高開關頻率以降低系統尺寸意味著電晶體的工作電流必須很小，以減少開關損耗。這可以通過添加一個較大的電晶體來解決，但會相應地增加系統成本。如果沒有開關損耗，電晶體就可以達到更快的開關頻率，或者處理大功率設備中更高的電流(圖2)。
另一方面，軟開關的理念是使用一個外部電路來避免電晶體開關切換時電壓和電流波形的重疊。軟開關有兩種形式：自共振和強制共振。自共振形式採用一個自振盪電路，這樣可以降低開關損耗、提高能效，並可減少電磁干擾，其缺點是不適合DC/DC轉換器應用。
圖2 硬開關架構。(圖片來源：Pre-Switch)
強制共振軟開關拓撲機構具有自共振形式同樣的優點，但對運算能力要求比較高、比較笨重，而且不能靈活地適應不同的輸入狀態和負載範圍。
AI用於開關技術
最近幾年，很多AC/DC、DC/DC和DC/AC方案都專注於開發傳導損耗更低、速度更快的開關元件，以及新的開關拓撲結構。IGBT仍然是各種轉換器方案的通用標準，但隨著成本的降低，SiC和GaN元件也開始被廣泛採用。現在已經有很多可選的佈局技術，工程師可以根據自己的應用需要來最佳化自己的方案。
場截止溝槽型IGBT在降低損耗方面有很大改進，很多新一代IBGT製造商都採用這類組合結構來最佳化能量集中度。然而，對於更為複雜的新型製造製程，材料限制及額外的實施成本仍是不小的挑戰，使用傳統元件來提升系統效率仍有很大的障礙。
在高壓應用中，GaN和SiC方案開始流行，因為它們具有較低的開關損耗，可以提高開關頻率。開關頻率的提升最直接的影響體現在太陽能逆變器上，其輸出電感在尺寸、重量和成本方面都大大降低。頻率的提高意味著雜訊和瞬態訊號也增加了，如果電源轉換器仍然採用傳統的開關結構，這些新型功率開關元件的大規模商用仍難以實現。
Pre-Switch CEO Bruce Renouard說：「透過降低頻率，我們進入了軟開關市場。軟開關仍然僅用於自共振式DC/DC電源轉換器，隔離的軟開關DC/AC電源轉換器一直不太完善，大功率AC/DC的軟開關被電源工程師稱為功率電子的『聖杯』也就不足為奇了。」然而，若只是用更快速的元件來改善電晶體開關轉換時間會引起無法容忍的dV/dt和EMI。
Pre-Switch透過採用一種內建的人工智慧(AI)IC(稱為Pre-Flex)解決了軟開關的問題。Pre-Flex可以十分精確地控制和調整小型及低成本共振電路的時序，從而將開關元件的電壓和電流波形的重疊減至最小。
內建AI的軟開關可以將開關損耗降低70~95%，並且解決了與快速電晶體相關的dV/dt問題。「Pre-Switch可以確保準確的軟開關並降低EMI，其開關頻率也比以前更高，」Renouard表示。
Pre-Flex IC可以學習和適應每個開關週期的系統輸入和元件狀態變化，從而實現最佳的軟開關。在實際工作中，它會將每個電晶體鎖定到可靠的強制共振軟開關狀態，而不會因為輸入電壓、輸出負載、系統溫度和製造製程容差的變化而受到影響(圖3)。
圖3 Pre-Switch的結構。(圖片來源：Pre-Switch)
該技術已經應用在開關頻率高於100kHz、600V的IGBT電晶體，以及1MHz、900V的SiC元件，從系統層面看，使用這種元件不會明顯增加成本。此外，Pre-Switch還可用於升級現有的硬開關系統，Pre-Flex已經被整合進半橋配置的1,200V、225A EconoDUAL標準驅動板中。
「Pre-Flex可以工作於半橋、全橋或三相配置的電源轉換器，每個IC都包含內建的串列通訊介面，可以傳輸錯誤狀態訊號，而且還包括可以保證每個週期最大安全性的Pre-Switch Blink。Pre-Flex IGBT系列的頻率上限為100kHz，一般可以將系統開關損耗降低70~85%。Pre-Flex SiC/GaN系列的頻率上限為1MHz，可將系統總體開關損耗(包含額外元件的開銷)降低90~95%。此外，它還內建一個無損的dV/dt濾波器，」Renouard總結。
結語
透過使用Pre-Flex，可以瞭解其主要參數有明顯改善，如表1所示。其中X-Factor參數是標準化的因數，表明同樣一個元件採用Pre-Switch AI演算法與採用硬開關相比，在相同的損耗下其開關速度可以加快多少倍。該參數是電流和開關頻率性能提升的指標。
表1 採用Pre-Switch技術後性能提升效果的資料分析。(資料來源：Pre-Switch)
「Pre-Switch可讓客戶構建開關頻率更高的系統，比硬開關IGBT系統快4~5倍，比硬開關SiC和GaN系統快35倍，而獲得這樣的性能表現只需要一半的電晶體數量。以採用SiC的電動車(EV)逆變器為例，它可將開關頻率從常見的10kHz提升到100kHz或300kHz，無需任何輸出濾波器即可生成近乎完美的正弦波，這樣就可以去除不必要的馬達鐵損，而且在低扭矩和RPM時也可以獲得很高的馬達效率。高開關頻率可以實現高RPM馬達，使其更輕便，成本也更低，」Renouard總結。
圖4 訊號分析和AI控制行為。(圖片來源：Pre-Switch)
利用CleanWave 200kW SiC汽車逆變器評估系統，電源設計工程師可以在不同的負載、溫度、設備容差和降級狀態下，評測該公司的軟開關架構和平台的準確性。該平台包括由Pre-Flex FPGA驅動的Pre-Drive3控制板和RPG閘極驅動板，它們可以消除開關損耗，將開關頻率提升至100kHz。雙脈衝測試資料顯示，Pre-Switch軟開關平台可以將系統開關損耗降低90%甚至更多(圖4)。
在第一個開關週期0(對應圖4左上角預覽圖中的「T」)，AI Pre-Switch控制器評估系統的多個輸入，決定系統處於哪種模式，然後估計軟開關所需的共振週期，這個估計雖不完美但安全可靠。所有的輸入和輸出對經過精確測量後，可儲存起來以備將來學習所用…
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