人工智能架構(gòu)將推動(dòng)未來(lái)硅基IGBT和碳化硅材料的改進(jìn)

直到最近，電力轉(zhuǎn)換行業(yè)在效率、尺寸、重量和成本方面的進(jìn)步主要都是由半導(dǎo)體晶體管技術(shù)的改進(jìn)推動(dòng)的。為了實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)，新型晶體管的工程目標(biāo)很明確：提高額定電壓、減少導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗，以及降低成本。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，我們已經(jīng)投入了數(shù)十億美元，并且還在持續(xù)投入中。如今的第七代IGBT和MOSFET，以及第三代SiC MOSFET和GaN FET都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于前幾代的電力器件。所有這些設(shè)備都是人類(lèi)智慧的真正杰作。

雖然許多不同類(lèi)型的晶體管改進(jìn)都對(duì)我們的行業(yè)產(chǎn)生了積極影響，但晶體管開(kāi)關(guān)損耗的持續(xù)減少帶來(lái)的影響最為顯著。為了降低開(kāi)關(guān)損耗，半導(dǎo)體行業(yè)專(zhuān)注于提高器件的轉(zhuǎn)換速度。器件在開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換速度越快，電流和電壓波形的重疊部分就越小，從而減少了開(kāi)關(guān)損耗Etot(開(kāi)關(guān)周期內(nèi)浪費(fèi)的總開(kāi)通和關(guān)斷能量)。

降低開(kāi)關(guān)損耗意味著設(shè)計(jì)師可以在相同或更低的損耗預(yù)算下使用更高的開(kāi)關(guān)頻率。更高的開(kāi)關(guān)頻率具有減少在開(kāi)關(guān)周期之間需要存儲(chǔ)在無(wú)源器件中的能量量的額外好處，從而縮小了電源轉(zhuǎn)換器的尺寸和成本。減少開(kāi)關(guān)損耗還減少了浪費(fèi)的能量和散熱片所需的尺寸，以散發(fā)廢熱。降低開(kāi)關(guān)損耗的最終結(jié)果是電源轉(zhuǎn)換器在效率、尺寸、重量和成本方面的進(jìn)一步改進(jìn)。

不幸的是，許多當(dāng)今高性能半導(dǎo)體晶體管技術(shù)正面臨物理極限，限制了進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率和功率轉(zhuǎn)換效率。法拉第感應(yīng)定律表達(dá)為V=L di/dt。這意味著電源開(kāi)關(guān)上的總電壓(導(dǎo)通電壓降(VSAT或Id x RDS，取決于開(kāi)關(guān)類(lèi)型)加上瞬態(tài)電壓=電感(封裝寄生和系統(tǒng)寄生電感)乘以電流變化(通過(guò)器件)除以該變化的時(shí)間持續(xù)。

簡(jiǎn)而言之，這意味著開(kāi)關(guān)在開(kāi)和關(guān)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換得越快，器件上產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓就越高。當(dāng)今更快的開(kāi)關(guān)的過(guò)渡速度足以使內(nèi)部電感導(dǎo)致器件經(jīng)歷過(guò)沖。因此，無(wú)限快的開(kāi)通時(shí)間會(huì)在器件上產(chǎn)生無(wú)限電壓，這將摧毀器件。此外，由于一些寄生電感存在于發(fā)射極或源連接中，這可能導(dǎo)致柵極驅(qū)動(dòng)電路中嚴(yán)重的振鈴和一系列控制問(wèn)題。

設(shè)計(jì)師需要限制瞬態(tài)電壓過(guò)沖以保護(hù)晶體管。實(shí)際上，許多工程師購(gòu)買(mǎi)“快速”晶體管，只是通過(guò)添加大型柵極驅(qū)動(dòng)電阻(或緩沖器)來(lái)減慢它們的速度，這抵消了他們最初期望的一些或大部分效率增益。此外，這些器件的快速dV/dt會(huì)降低絕緣并導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)中的差動(dòng)軸承電流，限制電動(dòng)機(jī)與其驅(qū)動(dòng)器之間的距離。簡(jiǎn)而言之，具有快速di/dt或dV/dt的晶體管是有問(wèn)題的，需要特別注意。

消除開(kāi)關(guān)損耗

盡管面臨法拉第定律(V=L di/dt)這一無(wú)法逾越的挑戰(zhàn)，我們的電力社區(qū)又是如何繼續(xù)提高效率，同時(shí)減少尺寸、重量和成本的呢?答案再次歸結(jié)于人類(lèi)的智慧——但這次焦點(diǎn)在于電力架構(gòu)。

軟開(kāi)關(guān)的概念自上世紀(jì)70年代就已經(jīng)存在，當(dāng)時(shí)Deepak Divan(現(xiàn)任職于佐治亞理工學(xué)院)提出了暫時(shí)分離電流和電壓波形以消除開(kāi)關(guān)損耗的方法。自此之后，為了降低開(kāi)關(guān)損耗，已經(jīng)為許多應(yīng)用設(shè)計(jì)了諧振架構(gòu)——但這些架構(gòu)僅限于在直流到直流(DC-DC)或交流到直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器中具有穩(wěn)定負(fù)載/輸入的市場(chǎng)。這忽略了巨大的直流到交流(DC-AC)市場(chǎng)，而該市場(chǎng)對(duì)于電動(dòng)交通、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、太陽(yáng)能和風(fēng)能應(yīng)用是必需的。

由于需要在生成具有不同負(fù)載、輸入電壓、溫度和器件老化的恒定正弦波的同時(shí)改變強(qiáng)制諧振電路的定時(shí)，DC-AC轉(zhuǎn)換無(wú)法實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。因此，直到Pre-Switch(圖2)出現(xiàn)之前，DC-AC應(yīng)用一直缺乏商業(yè)化的軟開(kāi)關(guān)架構(gòu)。

Pre-Switch公司采用了一種非傳統(tǒng)的方法，將人工智能(AI)融入先前開(kāi)發(fā)的ARCP(輔助諧振換向極)架構(gòu)中(圖2)。ARCP(由通用電氣的R.W. De Doncker和J. P. Lyons于1990年發(fā)明)曾被許多領(lǐng)先的電力機(jī)構(gòu)研究，但由于無(wú)法控制變量性而被放棄。Pre-Switch開(kāi)發(fā)了AI來(lái)感知多種輸入并精細(xì)控制ARCP，實(shí)現(xiàn)了完整的DC/AC和AC/DC雙向軟開(kāi)關(guān)。

Pre-Switch的AI動(dòng)態(tài)感知并調(diào)整稱(chēng)為RPG(諧振功率門(mén))的低成本輔助諧振電路的定時(shí)，如圖2所示。結(jié)果是，一個(gè)精確定時(shí)的諧振電流(圖3)流入工作晶體管兩端的電容器，實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)。這種方法使Pre-Switch能夠完全消除開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)顯著減少電磁干擾(EMI)和熱量產(chǎn)生。

在一個(gè)沒(méi)有開(kāi)關(guān)損失的世界里,通過(guò)觀察整個(gè)系統(tǒng)的效率和成本來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳優(yōu)化。例如,許多電動(dòng)汽車(chē)公司都有獨(dú)立的逆變器、電動(dòng)機(jī)和電池團(tuán)隊(duì)。如果在逆變器團(tuán)隊(duì)中孤立地采用預(yù)開(kāi)關(guān)技術(shù),他們很可能希望消除開(kāi)關(guān)損耗,以節(jié)省晶體管和熱吸收器的成本----同時(shí)生產(chǎn)效率更高的逆變器(圖4垂直軸)。

圖4

但真正的目標(biāo)是"電池對(duì)車(chē)輪的效率",測(cè)量在EV范圍內(nèi)。在這種情況下,電動(dòng)機(jī)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該被問(wèn)到,如果他們的電動(dòng)機(jī)從逆變器得到純正弦波,在全驅(qū)動(dòng)剖面上能達(dá)到多少更多的電動(dòng)機(jī)范圍。為了達(dá)到純正弦波,設(shè)計(jì)自由度應(yīng)優(yōu)化為超快開(kāi)關(guān)頻率(圖6水平軸),這大大提高了低轉(zhuǎn)矩效率,從而增加了電動(dòng)機(jī)的范圍。

SiC測(cè)試結(jié)果解釋

表1A中的硬開(kāi)關(guān)和預(yù)開(kāi)關(guān)對(duì)比數(shù)據(jù)是通過(guò)在Pre-Switch的CleanWave200評(píng)估系統(tǒng)(圖7)上進(jìn)行雙脈沖測(cè)試(DPT)獲得的，使用了United Silicon Carbide的UJ3C120040K3S，封裝在3引腳TO247分立器件中。為了測(cè)量硬開(kāi)關(guān)DPT數(shù)據(jù)，從相同的CleanWave板上移除了所有ARCP軟開(kāi)關(guān)組件，以用于相同的設(shè)備。測(cè)得的硬開(kāi)關(guān)結(jié)果超出了制造商的數(shù)據(jù)表規(guī)格，因此進(jìn)一步努力以降低硬開(kāi)關(guān)結(jié)果。

在此過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)CleanWave200中使用的UJ3C系列部件針對(duì)軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，但并不適合硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用。出于透明度考慮，Pre-Switch在表1中增加了B節(jié)和C節(jié)，以顯示與其他設(shè)備相比基于其數(shù)據(jù)表規(guī)格的測(cè)量增益。

此外，表1中顯示的ARCP損耗是保守的。這是因?yàn)镻re-Switch為CleanWave200中使用的ARCP組件的大小是根據(jù)每個(gè)開(kāi)關(guān)位置并聯(lián)的三個(gè)開(kāi)關(guān)的電流能力來(lái)確定的，而在DPT中僅使用了一個(gè)開(kāi)關(guān)。這意味著表1中測(cè)量的ARCP損耗(在單個(gè)開(kāi)關(guān)上測(cè)量)超過(guò)了代表性總損耗，工程師在優(yōu)化的系統(tǒng)中會(huì)看到這種情況。

如何應(yīng)用Pre-Switch技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)

Pre-Switch專(zhuān)注于支持需要超過(guò)350V和功率范圍超過(guò)50kW的應(yīng)用。雖然該技術(shù)可以擴(kuò)展到更小的功率轉(zhuǎn)換器，但公司有意延遲進(jìn)入這些市場(chǎng)。Pre-Switch正在銷(xiāo)售CleanWave200評(píng)估系統(tǒng)，以幫助客戶(hù)評(píng)估Pre-Switch基于AI的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的周期適應(yīng)性，并探索在其應(yīng)用中采用更高開(kāi)關(guān)頻率的好處。CleanWave200代表了一個(gè)具有PWM接口的逆變器的功率模塊。該系統(tǒng)可將800VDC雙向轉(zhuǎn)換為三相AC，功率高達(dá)200kW，開(kāi)關(guān)頻率Fsw為100kHz，效率高達(dá)99%。

功率轉(zhuǎn)換世界從未如此令人興奮——真正的電力革命才剛剛開(kāi)始。電動(dòng)汽車(chē)、公交車(chē)、拖拉機(jī)、飛機(jī)、火車(chē)、船只、摩托車(chē)、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等正逐漸融入我們的生活。PreSwitch的AI控制架構(gòu)釋放的革命，能夠?qū)崿F(xiàn)DC/AC和AC/DC的軟開(kāi)關(guān)，正在為未來(lái)的晶體管創(chuàng)新提供數(shù)十年的增量——就在今天。一個(gè)沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗的世界改變了一切。

系統(tǒng)級(jí)的好處現(xiàn)在已經(jīng)超出了孤立的逆變器子系統(tǒng)。純電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)純正弦波逆變器輸出提供的5-12%的額外續(xù)航里程已不再是“未來(lái)的”概念。通過(guò)大幅提高開(kāi)關(guān)頻率獲得的二階好處現(xiàn)在已觸手可及?，F(xiàn)在是時(shí)候增加電機(jī)極數(shù)，用更高的速度基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)它們，并提高它們的RPM，從而增加功率密度，同時(shí)縮小尺寸和降低成本。現(xiàn)在是時(shí)候縮小太陽(yáng)能逆變器，同時(shí)，我們也可以消除風(fēng)力渦輪機(jī)、變頻器(VFD)、車(chē)載充電器(OBCs)和快速直流充電器的冷卻風(fēng)扇。

可以預(yù)想一下，一個(gè)沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗的世界終于到來(lái)了。