人工智能架构将推动未来硅基IGBT和碳化硅材料的改进

直到最近，电力转换行业在效率、尺寸、重量和成本方面的进步主要都是由半导体晶体管技术的改进推动的。为了实现这些改进，新型晶体管的工程目标很明确：提高额定电压、减少导通和开关损耗，以及降低成本。

为了实现这些目标，我们已经投入了数十亿美元，并且还在持续投入中。如今的第七代IGBT和MOSFET，以及第三代SiC MOSFET和GaN FET都远远优于前几代的电力器件。所有这些设备都是人类智慧的真正杰作。

虽然许多不同类型的晶体管改进都对我们的行业产生了积极影响，但晶体管开关损耗的持续减少带来的影响最为显著。为了降低开关损耗，半导体行业专注于提高器件的转换速度。器件在开启和关闭状态之间的转换速度越快，电流和电压波形的重叠部分就越小，从而减少了开关损耗Etot(开关周期内浪费的总开通和关断能量)。

图1

降低开关损耗意味着设计师可以在相同或更低的损耗预算下使用更高的开关频率。更高的开关频率具有减少在开关周期之间需要存储在无源器件中的能量量的额外好处，从而缩小了电源转换器的尺寸和成本。减少开关损耗还减少了浪费的能量和散热片所需的尺寸，以散发废热。降低开关损耗的最终结果是电源转换器在效率、尺寸、重量和成本方面的进一步改进。

不幸的是，许多当今高性能半导体晶体管技术正面临物理极限，限制了进一步提高开关频率和功率转换效率。法拉第感应定律表达为V=L di/dt。这意味着电源开关上的总电压(导通电压降(VSAT或Id x RDS，取决于开关类型)加上瞬态电压=电感(封装寄生和系统寄生电感)乘以电流变化(通过器件)除以该变化的时间持续。

简而言之，这意味着开关在开和关状态之间转换得越快，器件上产生的瞬态电压就越高。当今更快的开关的过渡速度足以使内部电感导致器件经历过冲。因此，无限快的开通时间会在器件上产生无限电压，这将摧毁器件。此外，由于一些寄生电感存在于发射极或源连接中，这可能导致栅极驱动电路中严重的振铃和一系列控制问题。

设计师需要限制瞬态电压过冲以保护晶体管。实际上，许多工程师购买“快速”晶体管，只是通过添加大型栅极驱动电阻(或缓冲器)来减慢它们的速度，这抵消了他们最初期望的一些或大部分效率增益。此外，这些器件的快速dV/dt会降低绝缘并导致电动机中的差动轴承电流，限制电动机与其驱动器之间的距离。简而言之，具有快速di/dt或dV/dt的晶体管是有问题的，需要特别注意。

消除开关损耗

尽管面临法拉第定律(V=L di/dt)这一无法逾越的挑战，我们的电力社区又是如何继续提高效率，同时减少尺寸、重量和成本的呢?答案再次归结于人类的智慧——但这次焦点在于电力架构。

软开关的概念自上世纪70年代就已经存在，当时Deepak Divan(现任职于佐治亚理工学院)提出了暂时分离电流和电压波形以消除开关损耗的方法。自此之后，为了降低开关损耗，已经为许多应用设计了谐振架构——但这些架构仅限于在直流到直流(DC-DC)或交流到直流(AC-DC)转换器中具有稳定负载/输入的市场。这忽略了巨大的直流到交流(DC-AC)市场，而该市场对于电动交通、工业电机驱动、太阳能和风能应用是必需的。

由于需要在生成具有不同负载、输入电压、温度和器件老化的恒定正弦波的同时改变强制谐振电路的定时，DC-AC转换无法实现软开关。因此，直到Pre-Switch(图2)出现之前，DC-AC应用一直缺乏商业化的软开关架构。

图2

Pre-Switch公司采用了一种非传统的方法，将人工智能(AI)融入先前开发的ARCP(辅助谐振换向极)架构中(图2)。ARCP(由通用电气的R.W. De Doncker和J. P. Lyons于1990年发明)曾被许多领先的电力机构研究，但由于无法控制变量性而被放弃。Pre-Switch开发了AI来感知多种输入并精细控制ARCP，实现了完整的DC/AC和AC/DC双向软开关。

图3

Pre-Switch的AI动态感知并调整称为RPG(谐振功率门)的低成本辅助谐振电路的定时，如图2所示。结果是，一个精确定时的谐振电流(图3)流入工作晶体管两端的电容器，实现了零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)。这种方法使Pre-Switch能够完全消除开关损耗，同时显著减少电磁干扰(EMI)和热量产生。

在一个没有开关损失的世界里,通过观察整个系统的效率和成本来实现最佳优化。例如,许多电动汽车公司都有独立的逆变器、电动机和电池团队。如果在逆变器团队中孤立地采用预开关技术,他们很可能希望消除开关损耗,以节省晶体管和热吸收器的成本----同时生产效率更高的逆变器(图4垂直轴)。

图4

但真正的目标是"电池对车轮的效率",测量在EV范围内。在这种情况下,电动机团队应该被问到,如果他们的电动机从逆变器得到纯正弦波,在全驱动剖面上能达到多少更多的电动机范围。为了达到纯正弦波,设计自由度应优化为超快开关频率(图6水平轴),这大大提高了低转矩效率,从而增加了电动机的范围。

SiC测试结果解释

表1A中的硬开关和预开关对比数据是通过在Pre-Switch的CleanWave200评估系统(图7)上进行双脉冲测试(DPT)获得的，使用了United Silicon Carbide的UJ3C120040K3S，封装在3引脚TO247分立器件中。为了测量硬开关DPT数据，从相同的CleanWave板上移除了所有ARCP软开关组件，以用于相同的设备。测得的硬开关结果超出了制造商的数据表规格，因此进一步努力以降低硬开关结果。

在此过程中，发现CleanWave200中使用的UJ3C系列部件针对软开关应用进行了优化，但并不适合硬开关应用。出于透明度考虑，Pre-Switch在表1中增加了B节和C节，以显示与其他设备相比基于其数据表规格的测量增益。

表1a

表1b

表1c

此外，表1中显示的ARCP损耗是保守的。这是因为Pre-Switch为CleanWave200中使用的ARCP组件的大小是根据每个开关位置并联的三个开关的电流能力来确定的，而在DPT中仅使用了一个开关。这意味着表1中测量的ARCP损耗(在单个开关上测量)超过了代表性总损耗，工程师在优化的系统中会看到这种情况。

如何应用Pre-Switch技术进行设计

Pre-Switch专注于支持需要超过350V和功率范围超过50kW的应用。虽然该技术可以扩展到更小的功率转换器，但公司有意延迟进入这些市场。Pre-Switch正在销售CleanWave200评估系统，以帮助客户评估Pre-Switch基于AI的软开关技术的周期适应性，并探索在其应用中采用更高开关频率的好处。CleanWave200代表了一个具有PWM接口的逆变器的功率模块。该系统可将800VDC双向转换为三相AC，功率高达200kW，开关频率Fsw为100kHz，效率高达99%。

功率转换世界从未如此令人兴奋——真正的电力革命才刚刚开始。电动汽车、公交车、拖拉机、飞机、火车、船只、摩托车、机器人、无人机等正逐渐融入我们的生活。PreSwitch的AI控制架构释放的革命，能够实现DC/AC和AC/DC的软开关，正在为未来的晶体管创新提供数十年的增量——就在今天。一个没有开关损耗的世界改变了一切。

系统级的好处现在已经超出了孤立的逆变器子系统。纯电动汽车通过纯正弦波逆变器输出提供的5-12%的额外续航里程已不再是“未来的”概念。通过大幅提高开关频率获得的二阶好处现在已触手可及。现在是时候增加电机极数，用更高的速度基础驱动它们，并提高它们的RPM，从而增加功率密度，同时缩小尺寸和降低成本。现在是时候缩小太阳能逆变器，同时，我们也可以消除风力涡轮机、变频器(VFD)、车载充电器(OBCs)和快速直流充电器的冷却风扇。

可以预想一下，一个没有开关损耗的世界终于到来了。