Ini dilakukan dengan melengkapi jembatan tiga fase konvensional, meskipun jembatan silikon karbida dalam hal ini, dengan tiga sirkuit resonansi tambahan, satu per fase, yang secara singkat mengalihkan arus dari transistor jembatan utama tepat sebelum mereka beralih.
Untuk menjelaskan 18 mosfets: masing-masing MOSFET di jembatan tiga fase sebenarnya ada triplet paralel, dan enam silikon tambahan IGBTIni sebenarnya adalah pasangan paralel dalam desain 200kW, yang dijalankan pada 100kW untuk demo efisiensi. MOSFET jembatan hanya perlu diukur untuk kerugian konduksi, bukan kerugian peralihan, dan IGBT silikon tambahan jauh lebih kecil daripada sakelar jembatan karena mereka hanya harus menangani kerugian peralihannya sendiri ditambah konduksi arus penuh yang singkat. Dioda D1 dan D2 di diagram atas harus ditambahkan untuk ARCP. Mereka adalah silikon karbida, dan berukuran kecil karena hanya perlu menghantarkan listrik selama 1μs per siklus. Perusahaan mengklaim bahwa inverter hard-switched serupa memerlukan die 36x 35mΩ, dan hanya dapat bekerja pada 10kHz – dengan pengoperasian 10kHz, dibandingkan dengan 100kHz, memerlukan tautan dc 10x lebih besar kapasitor.
Menurut Pre-Switch, ARCP ditemukan pada 1980-an oleh General Electric, tetapi tidak ada cara yang dapat diandalkan untuk menentukan waktu pendahuluan sirkuit tambahan secara akurat: “Pertama, sistem memiliki akses terbatas ke parameter, di lingkungan yang bising, dan oleh karena itu harus beroperasi dengan derajat ketidakpastian. Kedua, karena perilaku reaktif tidak pernah bisa 'tepat waktu', sistem harus bertindak sebelumnya - sinyal harus diluncurkan tanpa stimulus yang terdefinisi dengan baik untuk menunjukkan kapan harus bertindak. "
Apa yang memungkinkan kontrol untuk Pre-Switch adalah peralihan ke kecerdasan buatan. "Membuat ZVS [peralihan tegangan-nol] menjadi kenyataan membutuhkan sistem yang statistik dalam adaptasi dan prediktif di alam, aplikasi yang ideal untuk AI", menurut perusahaan.
"Mesin AI Pre-Switch menggunakan pembacaan data yang tepat dari lingkungan yang bising, belajar, cerita, dan rencana untuk siklus switching transistor berikutnya," kata CEO Pre-Switch Bruce Renouard kepada Electronics Weekly. “Ada keluaran deterministik umum, tetapi AI harus mengirimkan sinyal penggerak gerbang sebelum mengetahui, secara pasti, waktu tepat apa yang diperlukan untuk peralihan lunak yang sempurna. Semua hasil dimasukkan kembali ke dalam algoritme kami untuk memprediksi waktu berikutnya yang diperlukan mengingat perubahan input atau beban output - ini termasuk perubahan suhu, degradasi perangkat, tegangan input, permintaan PWM, beban output, dan kondisi kesalahan. ”
Teknik tersebut juga berlaku untuk jembatan listrik yang dibuat dengan IGBT tradisional.
“Pra-Switch menghilangkan 99% atau 99.999% kerugian peralihan SiC,” kata Renouard. "Sama teknologi dengan algoritma yang berbeda dapat menghilangkan 70-80% kerugian switching IGBT. Alasan IGBT tidak 99% adalah karena mereka memiliki arus turn-off yang panjang yang saat ini tidak dapat dikurangi dengan soft switching. Menariknya, kami lebih memilih produsen IGBT untuk menyalakannya secara perlahan dan mematikannya dengan cepat untuk membantu mengatasi masalah ini.”
Algoritme juga memengaruhi sakelar bantu.
“IGBT [tambahan] dapat berukuran untuk mengakomodasi sebagian besar rentang daya dari 50kW hingga 400kW. Kami melakukan desain 500kW yang menggunakan dua IGBT secara paralel untuk sakelar resonan - total empat per fase - tetapi kami juga dapat mengembalikan dua per fase dengan AI terbaru kami, ”katanya.
Mengapa tidak beresonansi dengan jembatan utama daripada menambahkan sirkuit tambahan?
Saat ini kami tidak mengetahui topologi soft-switching yang dapat digunakan untuk membangun inverter DC ke AC. Pasar semuanya beralih keras untuk apa pun yang membutuhkan kontrol motorik. Ada beberapa pasar, seperti inverter surya untuk aplikasi industri, yang menggunakan konverter tiga tingkat untuk mencoba meningkatkan kualitas keluaran gelombang sinus. Inverter multi-level ini sangat kompleks - mereka memiliki sakelar 4-16x lebih banyak dan driver gerbang independen, dan sulit dikendalikan - tetapi mereka berfungsi. Solusi Pre-Switch menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi daripada inverter lima tingkat, dan dapat digunakan untuk aplikasi apa pun. Dengan menambahkan enam IGBT dan dioda terkait, teknologi Pre-Switch mengurangi jumlah total sakelar yang bekerja lebih dari setengahnya, dan memungkinkan insinyur untuk beralih pada frekuensi 10x atau lebih.
Pre-Switch mengklaim topologinya menyediakan "filter dV / dt lossless" - apa itu?
Semua motor listrik memiliki dV / dt maksimum yang ditentukan yang harus disebutkan oleh inverter di bawah ini untuk memastikan bahwa isolasi pada motor listrik tidak rusak. Spesifikasi biasanya seperti 5V / ns max. Ini karena dV / dt tinggi dan di / dt tinggi yang sesuai merusak keandalan motor dan bertanggung jawab atas dua alasan utama motor listrik gagal: dV / dt tinggi menyebabkan isolasi motor rusak, dan di / dt tinggi menyebabkan kegagalan bantalan melalui elektro etsa kimiawi.
Untuk mengatasi masalah ini, produsen motor dan inverter telah mencoba berbagai solusi. Salah satunya adalah dengan menggunakan insulasi yang lebih tebal, tetapi ini berdampak buruk pada kerapatan belitan motor yang mengurangi efisiensi motor dan merusak kerapatan daya. Yang lainnya adalah menggunakan bantalan keramik yang membutuhkan biaya.
Di pasar industri di mana penggerak frekuensi variabel ditempatkan pada jarak dari motor listrik, dV / dt menjadi masalah yang lebih besar karena tegangan dapat memantul kembali dan memperkuat dirinya sendiri yang menyebabkan lebih banyak masalah.
Untuk mengatasi masalah ini untuk aplikasi industri, perusahaan menawarkan filter dV / dt add-on. Ini mahal di ~ $ 1,600 - 2,000 untuk motor listrik 100kW-200kW, dan biasanya biaya efisiensi 1-2% lagi di seluruh rentang daya penuh.
Di ruang e-mobilitas, solusinya adalah meletakkan motor sangat dekat dengan inverter dan menjaga dV / dt di bawah ambang isolasi.
Pre-Switch memiliki kapasitor yang ditambahkan di seluruh sakelar yang berfungsi - sesuatu yang tidak akan pernah Anda lakukan dengan inverter hard-switch karena efisiensi inverter akan menurun - yang memperlambat kenaikan tegangan dan tepi arus dan dapat mengurangi atau menghilangkan kelebihan transistor. Ini adalah proses tanpa kerugian. Intinya, kami memperlambat kecepatan edge tetapi meningkatkan kecepatan switching transistor dan hampir tidak ada kerugian switching. Ini adalah artefak dari pra-switching - arsitektur soft-switching dc-dc dan LLC lainnya tidak menyelesaikan masalah dV / dt atau di / dt.
CEO Pre-Switch Bruce Renouard menjelaskan komponen daya tambahan yang diperlukan untuk ARCP, yang dijual perusahaan sebagai perangkat keras modul dijuluki RPG:
- Dua sakelar IGBT dan dua dioda SiC per fase.
“Ini berbiaya rendah karena memiliki nilai pulsa, hanya beroperasi untuk maksimum 1μs per siklus switching atau kurang, dan berada pada setengah tegangan fets kerja utama,” kata Renouard. - Kapasitor resonan
“Ini ditempatkan di seluruh fets kerja dan bervariasi dengan tujuan desain untuk memperlambat di / dt dan dV / dt. Mereka juga digunakan untuk menahan tegangan ayunan melintasi titik kerja ke nol volt setiap siklus switching selama periode ayunan 1μs. ” - Resonansi Induktor (satu per fase)
“Ini memberikan arus beban dan sedikit lebih banyak arus yang diperlukan untuk mengayunkan tegangan di kapasitor sehingga tidak ada tegangan yang melintasi fets yang berfungsi. Ini hanya beroperasi untuk 1μs atau kurang. " - Driver gerbang untuk keduanya IGBT tercantum di atas dan driver untuk FET yang berfungsi.