Het doet dit door een conventionele driefasige brug, in dit geval een brug van siliciumcarbide, aan te vullen met drie hulpresonantiecircuits, één per fase, die de stroom kort omleiden van de hoofdbrugtransistors net voordat ze commuteren.
Om de 18 mosfets uit te leggen: elk mosfet in de driefasige brug bevindt zich eigenlijk een parallelle triplet, en de zes hulpsilicium IGBTs zijn eigenlijk parallelle paren in het 200 kW-ontwerp, dat voor de efficiëntiedemo op 100 kW werd uitgevoerd. De brug-mosfets hoeven alleen te worden gedimensioneerd voor geleidingsverliezen, niet voor schakelverliezen, en de hulp-silicium-IGBT's zijn veel kleiner dan de brugschakelaars, omdat ze alleen te maken hebben met hun eigen schakelverliezen plus korte volledige stroomgeleiding. Diodes D1 en D2 in de bovenste diagram moeten worden toegevoegd voor ARCP. Ze zijn van siliciumcarbide en klein omdat ze slechts 1 μs per cyclus hoeven te geleiden. Het bedrijf beweert dat een vergelijkbare hard-switched omvormer een chip van 36x 35 mΩ nodig heeft en alleen op 10 kHz kan werken – bij een werking van 10 kHz, vergeleken met 100 kHz, waarvoor een 10x grotere DC-link nodig is condensator.
Volgens Pre-Switch is ARCP in de jaren tachtig uitgevonden door General Electric, maar er kon geen betrouwbare manier worden gevonden om het hulpcircuit nauwkeurig te timen: `` Ten eerste heeft het systeem beperkte toegang tot parameters, in een lawaaierige omgeving, en moet daarom met mate van onzekerheid opereren. Ten tweede, aangezien reactief gedrag nooit 'op tijd' kan zijn, moet het systeem pre-acteren - signalen moeten worden gelanceerd zonder een goed gedefinieerde stimulus om aan te geven wanneer het moet handelen. "
Wat Pre-Switch mogelijk maakte, was een verschuiving naar kunstmatige intelligentie. “Om ZVS [nulspanningsomschakeling] werkelijkheid te laten worden, is een systeem nodig dat statistisch aanpasbaar en voorspellend van aard is, een ideale toepassing voor AI”, aldus het bedrijf.
"De Pre-Switch AI-engine gebruikt in-exacte gegevens die worden gelezen uit een lawaaierige omgeving, leren, vertellen en plannen voor de volgende schakelcyclus van de transistor", vertelde Bruce Renouard, CEO van Pre-Switch, aan Electronics Weekly. “Er is een algemene deterministische output, maar de AI moet het gate-aandrijfsignaal verzenden voordat hij zeker weet wat de precieze timing is die nodig is voor perfecte soft-switching. Alle resultaten worden teruggevoerd naar ons algoritme om de volgende timing te voorspellen die nodig is gezien de veranderende inputs of outputbelastingen - dit omvat veranderingen in temperatuur, apparaatdegradatie, ingangsspanning, PWM-eisen, uitgangsbelasting en foutcondities. "
De technieken zijn ook toepasbaar op krachtbruggen gemaakt met traditionele IGBT's.
“Pre-Switch elimineert 99% of 99.999% van de SiC-schakelverliezen”, aldus Renouard. "Hetzelfde technologie met een ander algoritme kan 70-80% van de IGBT-schakelverliezen worden geëlimineerd. De reden dat IGBT's niet 99% zijn, is omdat ze een lange uitschakelstaartstroom hebben die tegenwoordig niet kan worden verminderd door zacht schakelen. Interessant genoeg zouden we er de voorkeur aan geven dat IGBT-fabrikanten langzaam inschakelen en snel uitschakelen om dit probleem te helpen oplossen.
Het algoritme heeft ook invloed op de hulpschakelaars.
“De [hulp] IGBT's kunnen zo worden gedimensioneerd dat ze geschikt zijn voor de meeste vermogensbereiken van 50 kW tot 400 kW. We hebben een 500kW-ontwerp gemaakt dat twee IGBT's parallel gebruikte voor de resonante schakelaars - vier in totaal per fase - maar we kunnen waarschijnlijk ook teruggaan naar de twee per fase met onze nieuwste AI, ”zei hij.
Waarom resoneert u de hoofdbrug niet in plaats van een hulpcircuit toe te voegen?
Tegenwoordig zijn we niet op de hoogte van enige soft-switching-topologie die kan worden gebruikt om een DC-naar-AC-omvormer te bouwen. De markt is hard geschakeld voor alles wat motorbesturing nodig heeft. Er zijn enkele markten, zoals omvormers voor zonne-energie voor industriële toepassingen, die omvormers met drie niveaus gebruiken om de kwaliteit van de sinusgolfoutput te verbeteren. Deze omvormers met meerdere niveaus zijn erg complex - ze hebben 4-16x meer schakelaars en onafhankelijke poortstuurprogramma's, en zijn moeilijk te besturen - maar ze werken wel. De Pre-Switch-oplossing produceert een hoger rendement dan een omvormer met vijf niveaus en kan voor elke toepassing worden gebruikt. Door zes IGBT's en bijbehorende diodes toe te voegen, vermindert de Pre-Switch-technologie het aantal totale werkende schakelaars met meer dan de helft, en stelt de ingenieur in staat om te schakelen met 10x of meer frequentie.
Pre-Switch beweert dat zijn topologie een "verliesvrij dV / dt-filter" biedt - wat is dat?
Alle elektromotoren hebben een gespecificeerde maximale dV / dt die een omvormer hieronder moet vermelden om ervoor te zorgen dat de isolatie in de elektromotor niet wordt beschadigd. De specificatie is meestal zoiets als 5V / ns max. Dit komt omdat hoge dV / dt en bijbehorende hoge di / dt schadelijk zijn voor de motorbetrouwbaarheid en verantwoordelijk zijn voor de twee belangrijkste redenen waarom elektromotoren falen: hoge dV / dt veroorzaakt defecte motorisolatie en hoge di / dt veroorzaakt lagerstoringen door elektro -chemisch etsen.
Om deze problemen op te lossen, hebben fabrikanten van motoren en omvormers veel verschillende oplossingen geprobeerd. Een daarvan is om dikkere isolatie te gebruiken, maar dit heeft een nadelig effect op de dichtheid van de motorwikkeling, wat de motorefficiëntie vermindert en de vermogensdichtheid schaadt. De andere is om keramische lagers te gebruiken, wat geld kost.
In industriële markten waar de frequentieregelaar op een afstand van de elektromotor wordt geplaatst, wordt dV / dt een nog groter probleem omdat de spanning kan terugveren en zichzelf kan versterken, wat nog meer problemen veroorzaakt.
Om dit probleem voor industriële toepassingen op te lossen, bieden bedrijven een add-on dV / dt-filter aan. Deze zijn kostbaar met ~ $ 1,600 - 2,000 voor een 100 kW-200 kW elektromotor, en kosten meestal nog eens 1-2% efficiëntie over het volledige vermogensbereik.
In de e-mobiliteitsruimte is de oplossing om de motor heel dicht bij de omvormer te plaatsen en de dV / dt onder de isolatiedrempel te houden.
Pre-Switch heeft condensatoren toegevoegd over de werkende schakelaars - iets wat je nooit zou doen met een hard-geschakelde omvormer omdat de efficiëntie van de omvormer zou dalen - die de stijging van de spannings- en stroomflanken vertragen en het doorschieten van de transistor kan verminderen of elimineren. Dit is een proces zonder verlies. In wezen vertragen we de flanksnelheden, maar verhogen we de schakelsnelheden van de transistor en hebben we vrijwel geen schakelverliezen. Dit is een artefact van voorschakeling - andere dc-dc- en LLC-soft-switchingarchitectuur lossen de dV / dt- of di / dt-problemen niet op.
Pre-Switch CEO Bruce Renouard legt de extra voedingscomponenten uit die nodig zijn voor ARCP, die het bedrijf als hardware verkoopt module nagesynchroniseerde RPG:
- Twee IGBT-schakelaars en twee SiC-diodes per fase.
"Deze zijn goedkoop omdat ze pulserend zijn, maar maximaal 1 μs per schakelcyclus of minder werken, en op de helft van de spanning van de belangrijkste werkende fets staan", aldus Renouard. - Resonante condensatoren
“Deze zijn over de werkende fets geplaatst en worden gevarieerd door ontwerpdoelen om de di / dt en dV / dt te vertragen. Ze worden ook gebruikt om de zwaaispanning over de werkende fets elke schakelcyclus op nul volt te houden tijdens de zwaai-periode van 1 μs. " - Het resonerende Inductor (één per fase)
“Deze zorgen voor de belastingsstroom en een beetje meer stroom die nodig is om de spanning in de condensatoren te laten zwaaien, zodat er geen spanning is over de werkende fets. Dit is alleen operationeel voor de 1μs of minder. " - Poortdrivers voor zowel de IGBT's hierboven vermeld en de stuurprogramma's voor de werkende FET's.