يقوم بذلك عن طريق استكمال جسر تقليدي ثلاثي الطور ، وإن كان جسرًا من كربيد السيليكون في هذه الحالة ، بثلاث دوائر طنين مساعدة ، واحدة لكل طور ، تعمل على تحويل التيار لفترة وجيزة من ترانزستورات الجسر الرئيسي قبل تبديلها مباشرة.
لشرح 18 mosfets: كل MOSFET في الجسر ثلاثي الطور هو في الواقع ثلاثي متوازي، والسيليكون المساعد الستة IGBTs هي في الواقع أزواج متوازية في تصميم 200 كيلووات، والذي تم تشغيله عند 100 كيلووات لعرض الكفاءة. يجب أن يكون حجم موسفيتس الجسر مناسبًا فقط لخسائر التوصيل، وليس لفقدان التبديل، كما أن IGBTs السيليكونية المساعدة أصغر بكثير من مفاتيح الجسر حيث يتعين عليها فقط التعامل مع خسائر التبديل الخاصة بها بالإضافة إلى توصيل تيار كامل قصير. الثنائيات D1 و D2 في أعلى الرسم التخطيطي يجب أن تضاف إلى ARCP. إنها عبارة عن كربيد السيليكون، وصغيرة الحجم حيث أنها لا تحتاج إلا إلى التوصيل لمدة 1 ميكرو ثانية لكل دورة. تدعي الشركة أن عاكسًا قويًا مماثلًا سيحتاج إلى قالب 36x 35mΩ، ويمكن أن يعمل فقط عند 10 كيلو هرتز - مع تشغيل 10 كيلو هرتز، مقارنة بـ 100 كيلو هرتز، ويحتاج إلى وصلة تيار مستمر أكبر بمقدار 10 مرات. مكثف.
وفقًا لـ Pre-Switch ، تم اختراع ARCP في الثمانينيات من قبل شركة جنرال إلكتريك ، ولكن لا يمكن العثور على طريقة موثوقة للوقت الوقائي للدائرة المساعدة بدقة: "أولاً ، يتمتع النظام بوصول محدود إلى المعلمات ، في بيئة صاخبة ، و لذلك يجب أن تعمل بدرجات من عدم اليقين. ثانيًا ، نظرًا لأن السلوك التفاعلي لا يمكن أبدًا أن يكون "في الوقت المحدد" ، يجب على النظام التصرف مسبقًا - يجب إطلاق الإشارات بدون حافز محدد جيدًا للإشارة إلى وقت التصرف ".
ما جعل التحكم ممكناً لـ Pre-Switch هو التحول إلى الذكاء الاصطناعي. ووفقًا للشركة ، فإن "تحويل ZVS [التبديل بجهد صفري] إلى واقع يتطلب نظامًا إحصائيًا في التكيف والتنبؤ في الطبيعة ، وهو تطبيق مثالي للذكاء الاصطناعي".
قال الرئيس التنفيذي لشركة Pre-Switch Bruce Renouard لـ Electronics Weekly: "يستخدم محرك Pre-Switch AI البيانات الدقيقة التي يتم قراءتها من بيئة صاخبة ، والتعلم والقصة والتخطيط لدورة التبديل التالية للترانزستور". "هناك ناتج حتمي عام ، ولكن يتعين على الذكاء الاصطناعي إرسال إشارة محرك البوابة قبل معرفة ، بالتأكيد ، ما هو التوقيت الدقيق اللازم للتبديل الناعم المثالي. يتم إعادة إدخال جميع النتائج في الخوارزمية الخاصة بنا للتنبؤ بالتوقيت التالي الضروري في ضوء المدخلات المتغيرة أو أحمال المخرجات - وهذا يشمل التغيرات في درجة الحرارة وتدهور الجهاز والجهد الداخلي ومتطلبات PWM وحمل الإخراج وظروف الخطأ ".
التقنيات قابلة للتطبيق أيضًا على جسور الطاقة المصنوعة من IGBTs التقليدية.
وقال رينوارد: "يعمل نظام Pre-Switch على التخلص من 99% أو 99.999% من خسائر تحويل SiC". "نفس الشيء التكنلوجيا باستخدام خوارزمية مختلفة يمكن التخلص من 70-80% من خسائر تحويل IGBT. السبب وراء عدم وصول IGBTs إلى 99٪ هو أن لديها تيارًا طويلًا لا يمكن تقليله اليوم عن طريق التبديل الناعم. ومن المثير للاهتمام أننا نفضل أن يقوم مصنعو IGBT بالتشغيل ببطء وإيقاف التشغيل بسرعة للمساعدة في حل هذه المشكلة.
تؤثر الخوارزمية أيضًا على المفاتيح المساعدة.
"يمكن ضبط حجم IGBT [المساعد] لاستيعاب معظم نطاقات الطاقة من 50kW إلى 400kW. لقد صممنا 500 كيلوواط واستخدمنا جهازي IGBT بالتوازي لمفاتيح الرنين - أربعة في المجموع لكل مرحلة - ولكن يمكننا أيضًا على الأرجح العودة إلى المرحلتين لكل مرحلة باستخدام أحدث ذكاء اصطناعي لدينا ".
لماذا لا يتردد صدى الجسر الرئيسي بدلاً من إضافة دائرة مساعدة؟
اليوم ، لسنا على علم بأي طوبولوجيا تبديل ناعم يمكن استخدامها لبناء محول تيار مستمر إلى تيار متردد. السوق كله صعب التبديل لأي شيء يحتاج إلى التحكم في المحرك. هناك بعض الأسواق ، مثل العاكس الشمسي للتطبيقات الصناعية ، التي تستخدم محولات ثلاثية المستويات لمحاولة تحسين جودة خرج الموجة الجيبية. تعد هذه المحولات متعددة المستويات معقدة للغاية - فهي تحتوي على 4 إلى 16 ضعفًا من المفاتيح ومحركات بوابة مستقلة ، ومن الصعب التحكم فيها - لكنها تعمل بالفعل. ينتج حل Pre-Switch كفاءة أعلى من العاكس ذي الخمس مستويات ، ويمكن استخدامه لأي تطبيق. من خلال إضافة ستة IGBTs والصمامات الثنائية المرتبطة بها ، تعمل تقنية Pre-Switch على تقليل كمية مفاتيح التشغيل الإجمالية بأكثر من النصف ، وتسمح للمهندس بالتبديل بمعدل 10x أو أكثر.
تدعي Pre-Switch أن الهيكل الخاص بها يوفر "مرشح dV / dt بدون خسارة" - ما هذا؟
تحتوي جميع المحركات الكهربائية على حد أقصى محدد للقيمة dV / dt يجب أن يقوله العاكس أدناه لضمان عدم تلف العزل في المحرك الكهربائي. المواصفات عادة ما تكون مثل 5V / ns max. هذا لأن ارتفاع dV / dt وما يقابله من di / dt يضر بموثوقية المحرك وهما مسؤولان عن السببين الرئيسيين لفشل المحركات الكهربائية: يتسبب ارتفاع dV / dt في تعطل عزل المحرك ، ويؤدي ارتفاع d / dt إلى فشل المحمل من خلال الكهرباء - النقش الكيميائي.
لحل هذه المشكلات ، جرب مصنعو المحركات والعاكس العديد من الحلول المختلفة. الأول هو استخدام عزل أكثر سمكًا ، لكن هذا يؤثر سلبًا على كثافة لف المحرك مما يقلل من كفاءة المحرك ويضر بكثافة الطاقة. والآخر هو استخدام محامل السيراميك التي تكلف المال.
في الأسواق الصناعية حيث يتم وضع محرك التردد المتغير على مسافة من المحرك الكهربائي ، يصبح dV / dt مشكلة أكبر لأن الجهد يمكن أن يرتد مرة أخرى ويضخم نفسه مما يسبب المزيد من المشاكل.
لحل هذه المشكلة بالنسبة للتطبيقات الصناعية ، تقدم الشركات مرشح إضافي dV / dt. هذه تكلف ما يقرب من 1,600 - 2,000 دولار لمحرك كهربائي 100kW-200kW ، وعادة ما تكلف كفاءة أخرى بنسبة 1-2 ٪ عبر نطاق الطاقة الكامل.
في مساحة التنقل الإلكتروني ، يتمثل الحل في جعل المحرك قريبًا جدًا من العاكس والحفاظ على dV / dt أقل من عتبة العزل.
يحتوي المفتاح المسبق على مكثفات مضافة عبر مفاتيح العمل - وهو شيء لن تفعله أبدًا مع العاكس الثابت لأن كفاءة العاكس ستنخفض - مما يبطئ ارتفاع الجهد وحواف التيار ويمكن أن يقلل أو يزيل التجاوز في الترانزستور. هذه عملية بلا خسارة. من حيث الجوهر ، نقوم بإبطاء سرعات الحافة ولكننا نزيد سرعات تبديل الترانزستور ولا توجد أي خسائر تحويل تقريبًا. هذه قطعة أثرية للتبديل المسبق - لا تحل بنية التبديل الناعمة الأخرى DC-dc و LLC مشاكل dV / dt أو di / dt.
يشرح الرئيس التنفيذي لشركة Pre-Switch، Bruce Renouard، مكونات الطاقة الإضافية المطلوبة لـ ARCP، والتي تبيعها الشركة كجهاز وحدة آر بي جي مدبلجة:
- مفتاحان IGBT وثنائيان SiC لكل مرحلة.
قال Renouard: "هذه تكلفة منخفضة لأنها مصنفة بالنبضات ، وتعمل فقط بحد أقصى 1μs لكل دورة تبديل أو أقل ، وبنصف الجهد الكهربي لمجموعات العمل الرئيسية". - مكثفات الرنين
"يتم وضع هذه عبر أجسام العمل وتتنوع حسب أهداف التصميم لإبطاء di / dt و dV / dt. كما أنها تستخدم أيضًا لتثبيت جهد التأرجح عبر فتحات العمل حتى صفر فولت في كل دورة تبديل خلال فترة التأرجح 1μs. " - الرنين مغو (واحد لكل مرحلة)
"هذه توفر تيار الحمل والمزيد من التيار المطلوب لتأرجح الجهد في المكثفات بحيث لا يكون هناك جهد عبر فتحات العمل. هذا صالح للعمل فقط مع 1μs أو أقل. " - برامج تشغيل البوابة لكل من IGBTs المذكورة أعلاه وبرامج تشغيل FETs العاملة.