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基于AI的软开关可改善电源转换器性能

2020-07-06 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
基于AI的软开关可改善电源转换器性能
采用硬开关的电源转换器必须在开关频率的增加与能量损耗之间达到平衡,以满足所期望的系统能效要求。软开关则是使用一个外部电路来避免晶体管开关转换时电压和电流波形的重叠。

目前功率电子的一个发展趋势是专注于可靠的电源转换器,以降低整个系统的成本。其工程实现方法开始更多采用比硅更好的高性能半导体材料,如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),以消除漏电流。mBSednc

新的材料、创新的封装,以及先进的数字控制技术有助于工程师和设备制造商提升转换效率、降低功耗损失,并缩减设备尺寸和成本。mBSednc

据GTM调研机构发布的最新《Global Solar Demand Monitor》报告统计,到2022年,太阳能系统的年安装量将保持在100GW以上。显然,太阳能光伏发电将会持续增长,以满足全球环保的需求。无论采用什么样的发电形式,所有的电力都必须经过处理、控制和传输,并通过功率电子和功率半导体器件转换,以便为各种设备供电。mBSednc

此外,锂离子电池成本的骤降也为功率电子打开了新的市场,尤其是汽车电动化革命。有业界分析人士预测,电池安装量的普及将极大地降低成本。麦肯锡最近的一个研究报告预测,到2030年锂离子电池的年需求量将达到2900GWh(图1)。mBSednc

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图1:锂电池年需求量(GWh)与成本走势(美元)。(图片来源:Pre-Switch公司)mBSednc

硬开关和软开关

当晶体管导通或关断时,进入下一个工作状态的切换时间虽然很短,但并不是即时的,因此会造成能量损耗(开关损耗)。这种开关损耗占据了电源转换器损耗的一大部分。mBSednc

硬开关就是通过给晶体管施加电压或电流,简单地强制它导通和关断以改变工作状态。硬开关对晶体管硬件的要求较高,往往会缩短其使用寿命。mBSednc

采用硬开关的电源转换器必须在开关频率的增加与能量损耗之间达到平衡,以满足所期望的系统能效要求。在实际设计中,期望高能效的系统不得不通过降低开关频率来获得效率。设计人员必须采用较大的储能方案,以便在晶体管开关周期之间使电能维持较长时间。mBSednc

开关频率的降低意味着谐波失真的增加,结果就不得不使用输出滤波器。mBSednc

在实际设计中,硬开关会限制晶体管的最大开关频率。晶体管要想达到最佳工作性能,必须有效控制所涉及的各种功耗,以达到最佳散热状态。提高开关频率以降低系统尺寸意味着晶体管的工作电流必须很小,以减少开关损耗。这可以通过添加一个较大的晶体管来解决,但会相应地增加系统成本。如果没有开关损耗,晶体管就可以达到更快的开关频率,或者处理大功率设备中更高的电流(图2)。mBSednc

另一方面,软开关的理念是使用一个外部电路来避免晶体管开关转换时电压和电流波形的重叠。软开关有两种形式:自共振和强制共振。自共振形式采用一个自振荡电路,这样可以降低开关损耗、提高能效,并可减少电磁干扰。其缺点是不适合DC/DC转换器应用。mBSednc

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图2:硬开关架构。(图片来源:Pre-Switch公司)mBSednc

强制共振软开关拓扑机构具有自共振形式同样的优点,但对计算能力要求比较高、比较笨重,而且不能灵活地适应不同的输入状态和负载范围。mBSednc

AI用于开关技术

最近几年,很多AC/DC、DC/DC和DC/AC方案都专注于开发传导损耗更低、速度更快的开关器件,以及新的开关拓扑结构。IGBT仍然是各种转换器方案的通用标准,但随着成本的降低,SiC和GaN器件也开始被广泛采用。现在已经有很多可选的布局技术,工程师可以根据自己的应用需要来优化自己的方案。mBSednc

场截止沟槽型IGBT在降低损耗方面有很大改进,很多新一代IBGT制造商都采用这类组合结构来优化能量集中度。mBSednc

然而,对于更为复杂的新型制造工艺,材料限制及额外的实施成本仍是不小的挑战,使用传统器件来提升系统效率仍有很大的障碍。mBSednc

在高压应用中,GaN和SiC方案开始流行,因为它们具有较低的开关损耗,可以提高开关频率。开关频率的提升最直接的影响体现在太阳能逆变器上,其输出电感在尺寸、重量和成本方面都大大降低。mBSednc

频率的提高意味着噪声和瞬态信号的增加,如果电源转换器仍然采用传统的开关结构,这些新型功率开关器件的大规模商用仍难以实现。mBSednc

Pre-Switch公司CEO Bruce Renouard说:“通过降低频率,我们进入了软开关市场。软开关仍然仅用于自共振式DC/DC电源转换器,隔离的软开关DC/AC电源转换器一直不太完善,大功率AC/DC的软开关被电源工程师称为功率电子的‘圣杯’也就不足为怪了。”然而,若只是用更快速的器件来改善晶体管开关转换时间会引起无法容忍的dV/dt和EMI。mBSednc

Pre-Switch通过采用一种内置的人工智能(AI)集成电路(称为Pre-Flex)解决了软开关的问题,Pre-Flex可以十分精确地控制和调整小型及低成本共振电路的时序,从而将开关器件电压和电流波形的重叠减至最小。mBSednc

内置AI的软开关可以将开关损耗降低70~95%,并且解决了与快速晶体管相关的dV/dt问题。mBSednc

“Pre-Switch可以确保准确的软开关并降低EMI,其开关频率也比以前更高。”Bruce Renouard表示。mBSednc

Pre-Flex集成电路可以学习并适应每个开关周期的系统输入和器件状态变化,从而实现最佳的软开关。在实际工作中,它会将每个晶体管锁定到可靠的强制共振软开关状态,而不会因为输入电压、输出负载、系统温度和制造工艺容差的变化而受到影响(图3)。mBSednc

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图3:Pre-Switch的结构。(图片来源:Pre-Switch公司)mBSednc

该技术已经应用在开关频率高于100kHz 、600V的IGBT晶体管,以及1MHz、900V的碳化硅器件,从系统层面看,使用这种器件不会明显增加成本。此外,Pre-Switch还可用于升级现有的硬开关系统。Pre-Flex已经被集成进半桥配置的1200V、225A EconoDUAL标准驱动板中。mBSednc

“Pre-Flex可以工作于半桥、全桥或三相配置的电源转换器,每个IC都包含内置的串行通信接口,可以传输错误状态信号,而且还包括可以保证每个周期最大安全性的Pre-Switch Blink。Pre-Flex IGBT系列的频率上限为100kHz,一般可以将系统开关损耗降低70~85%。Pre-Flex SiC/GaN系列的频率上限为1MHz,可将系统总体开关损耗(包含额外器件的开销)降低90~95%。此外,它还内置一个无损的dV/dt滤波器,”Bruce Renouard总结道。mBSednc

结语

通过使用Pre-Flex,可以了解其主要参数有明显改善,如表1所示。其中X-Factor参数是标准化的因数,表明同样一个器件采用Pre-Switch AI算法与采用硬开关相比,在相同的损耗下其开关速度可以加快多少倍。该参数是电流和开关频率性能提升的指标。mBSednc

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表1:采用Pre-Switch技术后性能提升效果的数据分析。(图片来源:Pre-Switch公司)mBSednc

“Pre-Switch可让客户构建开关频率更高的系统,比硬开关IGBT系统快4~5倍,比硬开关SiC和GaN系统快35倍,而获得这样的性能表现只需要一半的晶体管数量。以采用SiC的EV逆变器为例,它可将开关频率从常见的10kHz提升到100kHz或300kHz,无需任何输出滤波器即可生成近乎完美的正弦波,这样就可以去除不必要的电机铁损,而且在低扭矩和RPM时也可以获得很高的电机效率。高开关频率可以实现高RPM电机,使其更轻便,成本也更低,”Bruce Renouard总结道。mBSednc

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图4:信号分析和AI控制行为。(图片来源:Pre-Switch公司)mBSednc

利用CleanWave 200kW碳化硅汽车逆变器评估系统,电源设计工程师可以在不同的负载、温度、器件容差和老化条件下,评测该公司的软开关架构和平台的准确性。该平台包括由Pre-Flex FPGA驱动的Pre-Drive3控制板和RPG栅极驱动板,它们可以消除开关损耗,将开关频率提升至100kHz。双脉冲测试数据显示,Pre-Switch软开关平台可以将系统开关损耗降低90%甚至更多(图4)。mBSednc

在第一个开关周期0(对应图4左上角预览图中的“T”),AI Pre-Switch控制器评估系统的多个输入决定系统处于哪种模式,然后估计软开关所需的共振周期,这个估计虽不完美但安全可靠。所有的输入和输出对经过精确测量后,可存储起来以备将来学习所用。在另一个教学周期完成之后,AI可以细微地优化整个系统。mBSednc

在开关周期0得到的所有AI输入和输出结果在开关周期1都要再次被精确地测量和分析。AI将再次输出共振时间的第二个阶段,跟开关周期0类似,以确保软开关的安全可靠。mBSednc

AI算法可以预测优化的共振时间,以确保整个软开关在各个方面都让系统的损耗降至最低。系统随后对输入和前一开关周期的结果进行对比,并调整共振时间,以便全面优化软开关来适应不断增加的负载电流(图中蓝线)。mBSednc

系统温度变化、器件老化和电流波动等因素在Pre-Switch AI算法中都予以考虑和优化了。mBSednc

“与传统的拓扑结构相比,Pre-Flex表现出了开关损耗的明显下降(70~95%),EMI和dV/dt等参数也降低了。该技术使低成本IGBT技术可以与SiC MOSFET等昂贵的技术相提并论,并可以让SiC技术的开关频率提升20倍,同时还解决了硬开关结构所造成的dV/dt和EMI问题。”Bruce Renouard表示。mBSednc

这种拓扑结构和Pre-Switch控制算法可以带来各方面的性能提升,使各种应用中不同工作节点上的能耗得到整体降低。mBSednc

(原文刊登于ASPENCORE旗下Power Electronics News英文网站,参考链接:AI-based soft switching for power converters。)mBSednc

本文为《电子技术设计》2020年07月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里mBSednc

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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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