Dazu wird eine herkömmliche Dreiphasenbrücke, in diesem Fall jedoch eine Siliziumkarbidbrücke, durch drei Hilfsresonanzkreise ergänzt, einen pro Phase, die kurz vor ihrer Kommutierung kurzzeitig Strom von den Hauptbrückentransistoren ableiten.
Um die 18 Mosfets zu erklären: jeweils MOSFET Bei der Dreiphasenbrücke handelt es sich tatsächlich um ein paralleles Triplett und die sechs Hilfssilizium IGBTIm 200-kW-Design, das für die Effizienzdemonstration mit 100 kW betrieben wurde, handelt es sich tatsächlich um parallele Paare. Die Brücken-MOSFETs müssen nur für Leitungsverluste dimensioniert werden, nicht für Schaltverluste, und die Hilfs-Silizium-IGBTs sind viel kleiner als die Brückenschalter, da sie nur mit ihren eigenen Schaltverlusten und einer kurzen Vollstromleitung zurechtkommen müssen. Dioden D1 und D2 im oberes Diagramm müssen für ARCP hinzugefügt werden. Sie bestehen aus Siliziumkarbid und sind klein, da sie nur 1 μs pro Zyklus leiten müssen. Das Unternehmen behauptet, dass ein ähnlicher hart geschalteter Wechselrichter einen Chip mit 36 x 35 mΩ benötigen würde und nur mit 10 kHz betrieben werden könnte – bei 10 kHz-Betrieb wäre im Vergleich zu 100 kHz eine zehnmal größere Gleichstromverbindung erforderlich Kondensator.
Laut Pre-Switch wurde ARCP in den 1980er Jahren von General Electric erfunden, aber es konnte kein zuverlässiger Weg gefunden werden, um die Hilfsschaltung genau zu verhindern: „Erstens hat das System in einer lauten Umgebung nur eingeschränkten Zugriff auf Parameter und muss daher mit Unsicherheitsgraden arbeiten. Zweitens muss das System vorab handeln, da reaktives Verhalten niemals „pünktlich“ sein kann. Die Signale müssen ohne einen genau definierten Stimulus gestartet werden, um anzuzeigen, wann zu handeln ist. “
Was Pre-Switch die Kontrolle ermöglichte, war eine Verlagerung auf künstliche Intelligenz. „Um ZVS [Nullspannungsumschaltung] Wirklichkeit werden zu lassen, ist ein System erforderlich, das statistisch anpassungsfähig und prädiktiv ist und eine ideale Anwendung für KI darstellt“, so das Unternehmen.
"Die Pre-Switch AI-Engine verwendet ungenaue Daten, die aus einer lauten Umgebung gelesen wurden, um den nächsten Schaltzyklus des Transistors zu lernen, zu erfassen und zu planen", sagte Bruce Renouard, CEO von Pre-Switch, gegenüber Electronics Weekly. „Es gibt eine allgemeine deterministische Ausgabe, aber die KI muss das Gate-Ansteuersignal senden, bevor sie sicher weiß, welches genaue Timing für ein perfektes Soft-Switching erforderlich ist. Alle Ergebnisse werden in unseren Algorithmus zurückgeführt, um den nächsten Zeitpunkt vorherzusagen, der angesichts der sich ändernden Eingangs- oder Ausgangslasten erforderlich ist. Dazu gehören Änderungen der Temperatur, der Verschlechterung des Geräts, der Eingangsspannung, der PWM-Anforderungen, der Ausgangslast und der Fehlerbedingungen. “
Die Techniken sind auch auf Leistungsbrücken anwendbar, die mit herkömmlichen IGBTs hergestellt wurden.
„Pre-Switch eliminiert 99 % bzw. 99.999 % der SiC-Schaltverluste“, sagte Renouard. "Das gleiche Technologie Mit einem anderen Algorithmus können 70–80 % der IGBT-Schaltverluste vermieden werden. Der Grund dafür, dass IGBTs nicht 99 % erreichen, liegt darin, dass sie einen langen Ausschaltstrom haben, der heute nicht durch sanftes Schalten reduziert werden kann. Interessanterweise würden wir IGBT-Herstellern lieber ein langsames Einschalten und ein schnelles Ausschalten vorziehen, um zur Lösung dieses Problems beizutragen.“
Der Algorithmus wirkt sich auch auf die Hilfsschalter aus.
„Die [zusätzlichen] IGBTs können für die meisten Leistungsbereiche von 50 kW bis 400 kW dimensioniert werden. Wir haben ein 500-kW-Design entwickelt, bei dem zwei IGBTs parallel für die Resonanzschalter verwendet wurden - insgesamt vier pro Phase -, aber wir können wahrscheinlich auch die beiden pro Phase mit unserer neuesten KI zurücksetzen “, sagte er.
Warum nicht die Hauptbrücke in Resonanz bringen, anstatt einen Hilfsstromkreis hinzuzufügen?
Heute ist uns keine Soft-Switching-Topologie bekannt, mit der ein DC / AC-Wechselrichter aufgebaut werden kann. Der Markt ist für alles, was Motorsteuerung benötigt, hart umgeschaltet. Es gibt einige Märkte, wie z. B. Solarwechselrichter für industrielle Anwendungen, die dreistufige Wandler verwenden, um die Qualität der Sinuswellenleistung zu verbessern. Diese mehrstufigen Wechselrichter sind sehr komplex - sie haben 4-16x mehr Schalter und unabhängige Gate-Treiber und sind schwer zu steuern - aber sie funktionieren. Die Pre-Switch-Lösung bietet einen höheren Wirkungsgrad als ein Wechselrichter mit fünf Stufen und kann für jede Anwendung verwendet werden. Durch Hinzufügen von sechs IGBTs und zugehörigen Dioden reduziert die Pre-Switch-Technologie die Anzahl der insgesamt arbeitenden Schalter um mehr als die Hälfte und ermöglicht es dem Techniker, mit einer Frequenz von 10x oder mehr zu schalten.
Pre-Switch behauptet, seine Topologie biete einen "verlustfreien dV / dt-Filter" - was ist das?
Alle Elektromotoren haben einen festgelegten maximalen dV / dt, den ein Umrichter unten angeben muss, um sicherzustellen, dass die Isolierung im Elektromotor nicht beschädigt wird. Die Spezifikation ist normalerweise so etwas wie 5V / ns max. Dies liegt daran, dass ein hoher dV / dt und ein entsprechend hoher di / dt die Zuverlässigkeit des Motors beeinträchtigen und für die beiden Hauptgründe für den Ausfall von Elektromotoren verantwortlich sind: Ein hoher dV / dt führt zu einem Ausfall der Motorisolation und ein hoher di / dt zu einem Lagerausfall durch Elektro -chemisches Ätzen.
Um diese Probleme zu lösen, haben Motor- und Umrichterhersteller viele verschiedene Lösungen ausprobiert. Eine besteht darin, eine dickere Isolierung zu verwenden, was sich jedoch nachteilig auf die Motorwicklungsdichte auswirkt, was den Motorwirkungsgrad verringert und die Leistungsdichte beeinträchtigt. Das andere ist die Verwendung von Keramiklagern, die Geld kosten.
In Industriemärkten, in denen der Frequenzumrichter in einem Abstand vom Elektromotor angeordnet ist, wird dV / dt zu einem noch größeren Problem, da die Spannung zurückprallen und sich verstärken kann, was noch mehr Probleme verursacht.
Um dieses Problem für industrielle Anwendungen zu lösen, bieten Unternehmen einen zusätzlichen dV / dt-Filter an. Diese sind mit ~ 1,600 bis 2,000 US-Dollar für einen 100-kW-200-kW-Elektromotor teuer und kosten normalerweise über den gesamten Leistungsbereich einen weiteren Wirkungsgrad von 1 bis 2%.
Im Bereich der Elektromobilität besteht die Lösung darin, den Motor sehr nahe am Umrichter zu platzieren und den dV / dt unter der Isolationsschwelle zu halten.
Pre-Switch verfügt über Kondensatoren an den Arbeitsschaltern - etwas, das Sie mit einem fest geschalteten Wechselrichter niemals tun würden, da der Wirkungsgrad des Wechselrichters sinken würde -, die den Anstieg der Spannungs- und Stromflanken verlangsamen und das Überschwingen des Transistors verringern oder beseitigen können. Dies ist ein verlustfreier Prozess. Im Wesentlichen verlangsamen wir die Flankengeschwindigkeiten, erhöhen jedoch die Schaltgeschwindigkeiten des Transistors und haben praktisch keine Schaltverluste. Dies ist ein Artefakt der Vorumschaltung - andere DC-DC- und LLC-Soft-Switching-Architekturen lösen die Probleme mit dV / dt oder di / dt nicht.
Bruce Renouard, CEO von Pre-Switch, erläutert die für ARCP erforderlichen zusätzlichen Leistungskomponenten, die das Unternehmen als Hardware verkauft Modulen synchronisiertes Rollenspiel:
- Zwei IGBT-Schalter und zwei SiC-Dioden pro Phase.
"Diese sind kostengünstig, da sie eine Impulsleistung haben, nur maximal 1 μs pro Schaltzyklus oder weniger arbeiten und die Hälfte der Spannung der Hauptarbeitsfets aufweisen", sagte Renouard. - Resonanzkondensatoren
„Diese werden über die Arbeitsfets verteilt und variieren je nach Entwurfsziel, um di / dt und dV / dt zu verlangsamen. Sie werden auch verwendet, um die Schwingspannung an den Arbeitsfets während der Schaltperiode von 1 μs bei jedem Schaltzyklus auf Null Volt zu halten. “ - Die Resonanz Induktor (eine pro Phase)
„Diese liefern den Laststrom und etwas mehr Strom, der erforderlich ist, um die Spannung in den Kondensatoren so zu schwingen, dass an den Arbeitsfetten keine Spannung anliegt. Dies ist nur für 1 μs oder weniger möglich. “ - Gate-Treiber für beide IGBTs die oben aufgeführten Treiber und die Treiber für die funktionierenden FETs.