Ele faz isso complementando uma ponte trifásica convencional, embora neste caso uma ponte de carboneto de silício, com três circuitos ressonantes auxiliares, um por fase, que desviam brevemente a corrente dos transistores da ponte principal pouco antes de eles comutarem.
Para explicar os 18 mosfets: cada mosfet na ponte trifásica é na verdade um trio paralelo, e os seis auxiliares de silício IGBTs são, na verdade, pares paralelos no projeto de 200 kW, que foi executado em 100 kW para a demonstração de eficiência. Os mosfets de ponte só precisam ser dimensionados para perdas de condução, não para perdas de comutação, e os IGBTs auxiliares de silício são muito menores que os interruptores de ponte, pois só precisam lidar com suas próprias perdas de comutação, além de uma breve condução de corrente total. Diodos D1 e D2 no diagrama de cima devem ser adicionados para ARCP. Eles são de carboneto de silício e são pequenos, pois só precisam conduzir 1μs por ciclo. A empresa afirma que um inversor com comutação semelhante precisaria de 36x 35mΩ e só poderia funcionar a 10kHz – com operação de 10kHz, em comparação com 100kHz, precisando de um link CC 10x maior capacitor.
De acordo com a Pre-Switch, o ARCP foi inventado na década de 1980 pela General Electric, mas não foi encontrada nenhuma maneira confiável de antecipar o tempo do circuito auxiliar com precisão: "Primeiro, o sistema limitou o acesso aos parâmetros, em um ambiente ruidoso, e portanto, deve operar com graus de incerteza. Em segundo lugar, como o comportamento reativo nunca pode ser 'pontual', o sistema deve agir antecipadamente - os sinais devem ser lançados sem um estímulo bem definido para indicar quando agir. ”
O que tornou o controle possível para Pre-Switch foi uma mudança para a inteligência artificial. “Tornar o ZVS [chaveamento zero tensão] uma realidade exige um sistema de caráter estatístico adaptativo e preditivo, uma aplicação ideal para IA”, afirma a empresa.
“O motor Pre-Switch AI usa dados exatos lidos de um ambiente barulhento, aprenda, conte a história e planeje o próximo ciclo de comutação do transistor”, disse o CEO da Pre-Switch, Bruce Renouard, à Electronics Weekly. “Existe uma saída determinística geral, mas o AI tem que enviar o sinal do gate antes de saber, com certeza, qual é o tempo preciso necessário para uma comutação suave perfeita. Todos os resultados são realimentados em nosso algoritmo para prever o próximo tempo necessário, dadas as mudanças nas entradas ou cargas de saída - isso inclui mudanças na temperatura, degradação do dispositivo, tensão de entrada, demandas de PWM, carga de saída e condições de erro. ”
As técnicas também são aplicáveis a pontes de alimentação feitas com IGBTs tradicionais.
“O Pré-Switch elimina 99% ou 99.999% das perdas de comutação de SiC”, disse Renouard. "O mesmo tecnologia com um algoritmo diferente pode eliminar 70-80% das perdas de comutação IGBT. A razão pela qual os IGBTs não são 99% é porque eles têm uma longa corrente final de desligamento que hoje não pode ser reduzida por comutação suave. Curiosamente, preferiríamos que os fabricantes de IGBT ligassem lentamente e desligassem rapidamente para ajudar a resolver este problema.”
O algoritmo também afeta as chaves auxiliares.
“Os IGBTs [auxiliares] podem ser dimensionados para acomodar a maioria das faixas de potência de 50kW a 400kW. Fizemos um projeto de 500 kW que usava dois IGBTs em paralelo para os interruptores ressonantes - quatro no total por fase - mas também podemos voltar os dois por fase com nossa IA mais recente ”, disse ele.
Por que não ressonar a ponte principal em vez de adicionar um circuito auxiliar?
Hoje não temos conhecimento de nenhuma topologia de comutação suave que possa ser usada para construir um inversor DC para AC. O mercado está totalmente ligado para qualquer coisa que precise de controle de motor. Existem alguns mercados, como inversores solares para aplicações industriais, que estão usando conversores de três níveis para tentar melhorar a qualidade da saída da onda senoidal. Esses inversores de vários níveis são muito complexos - eles têm 4-16x mais interruptores e controladores de porta independentes e são difíceis de controlar - mas funcionam. A solução Pre-Switch produz maior eficiência do que um inversor de cinco níveis e pode ser usada para qualquer aplicação. Ao adicionar seis IGBTs e diodos associados, a tecnologia Pre-Switch reduz a quantidade total de interruptores de trabalho em mais da metade e permite que o engenheiro alterne em 10x ou mais frequência.
Pre-Switch afirma que sua topologia fornece um “filtro dV / dt sem perdas” - o que é isso?
Todos os motores elétricos têm um dV / dt máximo especificado que um inversor deve dizer abaixo para garantir que o isolamento do motor elétrico não seja danificado. A especificação é geralmente algo como 5 V / ns máx. Isso ocorre porque dV / dt alto e di / dt alto correspondente são prejudiciais à confiabilidade do motor e são responsáveis pelos dois principais motivos de falha dos motores elétricos: dV / dt alto causa quebra do isolamento do motor e di / dt alto causa falhas nos rolamentos por meio do eletro - Gravura química.
Para resolver esses problemas, os fabricantes de motores e inversores tentaram muitas soluções diferentes. Uma é usar um isolamento mais espesso, mas isso afeta adversamente a densidade do enrolamento do motor, o que reduz a eficiência do motor e prejudica a densidade de potência. A outra é usar rolamentos cerâmicos que custam dinheiro.
Em mercados industriais onde o conversor de frequência é colocado longe do motor elétrico, dV / dt se torna um problema ainda maior porque a tensão pode se recuperar e se amplificar causando ainda mais problemas.
Para resolver esse problema para aplicações industriais, as empresas oferecem um filtro dV / dt adicional. Eles custam cerca de US $ 1,600 - 2,000 para um motor elétrico de 100kW-200kW e geralmente custam mais 1-2% de eficiência em toda a faixa de potência.
No espaço de e-mobilidade, a solução é colocar o motor bem próximo ao inversor e manter o dV / dt abaixo do limite de isolação.
O Pre-Switch tem capacitores adicionados aos interruptores de trabalho - algo que você nunca faria com um inversor hard-switch porque a eficiência do inversor despencaria - o que diminui o aumento das bordas de tensão e corrente e pode reduzir ou eliminar o excesso do transistor. Este é um processo sem perdas. Em essência, diminuímos as velocidades de borda, mas aumentamos as velocidades de chaveamento do transistor e praticamente não temos perdas de chaveamento. Este é um artefato de pré-comutação - outras arquiteturas de comutação suave dc-dc e LLC não resolvem os problemas dV / dt ou di / dt.
O CEO da Pre-Switch, Bruce Renouard, explica os componentes de energia adicionais necessários para o ARCP, que a empresa vende como hardware módulo apelidado de RPG:
- Duas chaves IGBT e dois diodos SiC por fase.
“Eles são de baixo custo porque são classificados por pulso, operando apenas por no máximo 1μs por ciclo de chaveamento ou menos, e estão com a metade da tensão dos principais conjuntos de trabalho”, disse Renouard. - Capacitores ressonantes
“Eles são colocados entre os grupos de trabalho e variam de acordo com os objetivos do projeto para desacelerar o di / dt e o dV / dt. Eles também são usados para manter a tensão de oscilação através das fets de trabalho em zero volts a cada ciclo de comutação durante o período de oscilação de 1μs. - O ressonante Indutor (um por fase)
“Eles fornecem a corrente de carga e um pouco mais de corrente necessária para balançar a voltagem nos capacitores de forma que não haja voltagem nas redes de trabalho. Isso só é operacional para 1μs ou menos. ” - Drivers de portão para ambos os IGBTs listados acima e os drivers para os FETs funcionais.