直到最近，電力轉換行業在效率、尺寸、重量和成本方面的進步主要都是由半導體晶體管技術的改進推動的。為了實現這些改進，新型晶體管的工程目標很明確：提高額定電壓、減少導通和開關損耗，以及降低成本。

為了實現這些目標，我們已經投入了數十億美元，并且還在持續投入中。如今的第七代IGBT和MOSFET，以及第三代SiC MOSFET和GaN FET都遠遠優于前幾代的電力器件。所有這些設備都是人類智慧的真正杰作。

雖然許多不同類型的晶體管改進都對我們的行業產生了積極影響，但晶體管開關損耗的持續減少帶來的影響最為顯著。為了降低開關損耗，半導體行業專注于提高器件的轉換速度。器件在開啟和關閉狀態之間的轉換速度越快，電流和電壓波形的重疊部分就越小，從而減少了開關損耗Etot(開關周期內浪費的總開通和關斷能量)。

降低開關損耗意味著設計師可以在相同或更低的損耗預算下使用更高的開關頻率。更高的開關頻率具有減少在開關周期之間需要存儲在無源器件中的能量量的額外好處，從而縮小了電源轉換器的尺寸和成本。減少開關損耗還減少了浪費的能量和散熱片所需的尺寸，以散發廢熱。降低開關損耗的最終結果是電源轉換器在效率、尺寸、重量和成本方面的進一步改進。

不幸的是，許多當今高性能半導體晶體管技術正面臨物理極限，限制了進一步提高開關頻率和功率轉換效率。法拉第感應定律表達為V=L di/dt。這意味著電源開關上的總電壓(導通電壓降(VSAT或Id x RDS，取決于開關類型)加上瞬態電壓=電感(封裝寄生和系統寄生電感)乘以電流變化(通過器件)除以該變化的時間持續。

簡而言之，這意味著開關在開和關狀態之間轉換得越快，器件上產生的瞬態電壓就越高。當今更快的開關的過渡速度足以使內部電感導致器件經歷過沖。因此，無限快的開通時間會在器件上產生無限電壓，這將摧毀器件。此外，由于一些寄生電感存在于發射極或源連接中，這可能導致柵極驅動電路中嚴重的振鈴和一系列控制問題。

設計師需要限制瞬態電壓過沖以保護晶體管。實際上，許多工程師購買“快速”晶體管，只是通過添加大型柵極驅動電阻(或緩沖器)來減慢它們的速度，這抵消了他們最初期望的一些或大部分效率增益。此外，這些器件的快速dV/dt會降低絕緣并導致電動機中的差動軸承電流，限制電動機與其驅動器之間的距離。簡而言之，具有快速di/dt或dV/dt的晶體管是有問題的，需要特別注意。

消除開關損耗

盡管面臨法拉第定律(V=L di/dt)這一無法逾越的挑戰，我們的電力社區又是如何繼續提高效率，同時減少尺寸、重量和成本的呢?答案再次歸結于人類的智慧——但這次焦點在于電力架構。

軟開關的概念自上世紀70年代就已經存在，當時Deepak Divan(現任職于佐治亞理工學院)提出了暫時分離電流和電壓波形以消除開關損耗的方法。自此之后，為了降低開關損耗，已經為許多應用設計了諧振架構——但這些架構僅限于在直流到直流(DC-DC)或交流到直流(AC-DC)轉換器中具有穩定負載/輸入的市場。這忽略了巨大的直流到交流(DC-AC)市場，而該市場對于電動交通、工業電機驅動、太陽能和風能應用是必需的。

由于需要在生成具有不同負載、輸入電壓、溫度和器件老化的恒定正弦波的同時改變強制諧振電路的定時，DC-AC轉換無法實現軟開關。因此，直到Pre-Switch(圖2)出現之前，DC-AC應用一直缺乏商業化的軟開關架構。

Pre-Switch公司采用了一種非傳統的方法，將人工智能(AI)融入先前開發的ARCP(輔助諧振換向極)架構中(圖2)。ARCP(由通用電氣的R.W. De Doncker和J. P. Lyons于1990年發明)曾被許多領先的電力機構研究，但由于無法控制變量性而被放棄。Pre-Switch開發了AI來感知多種輸入并精細控制ARCP，實現了完整的DC/AC和AC/DC雙向軟開關。

Pre-Switch的AI動態感知并調整稱為RPG(諧振功率門)的低成本輔助諧振電路的定時，如圖2所示。結果是，一個精確定時的諧振電流(圖3)流入工作晶體管兩端的電容器，實現了零電壓開關(ZVS)和零電流開關(ZCS)。這種方法使Pre-Switch能夠完全消除開關損耗，同時顯著減少電磁干擾(EMI)和熱量產生。

在一個沒有開關損失的世界里,通過觀察整個系統的效率和成本來實現最佳優化。例如,許多電動汽車公司都有獨立的逆變器、電動機和電池團隊。如果在逆變器團隊中孤立地采用預開關技術,他們很可能希望消除開關損耗,以節省晶體管和熱吸收器的成本----同時生產效率更高的逆變器(圖4垂直軸)。

圖4

但真正的目標是"電池對車輪的效率",測量在EV范圍內。在這種情況下,電動機團隊應該被問到,如果他們的電動機從逆變器得到純正弦波,在全驅動剖面上能達到多少更多的電動機范圍。為了達到純正弦波,設計自由度應優化為超快開關頻率(圖6水平軸),這大大提高了低轉矩效率,從而增加了電動機的范圍。

SiC測試結果解釋

表1A中的硬開關和預開關對比數據是通過在Pre-Switch的CleanWave200評估系統(圖7)上進行雙脈沖測試(DPT)獲得的，使用了United Silicon Carbide的UJ3C120040K3S，封裝在3引腳TO247分立器件中。為了測量硬開關DPT數據，從相同的CleanWave板上移除了所有ARCP軟開關組件，以用于相同的設備。測得的硬開關結果超出了制造商的數據表規格，因此進一步努力以降低硬開關結果。

在此過程中，發現CleanWave200中使用的UJ3C系列部件針對軟開關應用進行了優化，但并不適合硬開關應用。出于透明度考慮，Pre-Switch在表1中增加了B節和C節，以顯示與其他設備相比基于其數據表規格的測量增益。

此外，表1中顯示的ARCP損耗是保守的。這是因為Pre-Switch為CleanWave200中使用的ARCP組件的大小是根據每個開關位置并聯的三個開關的電流能力來確定的，而在DPT中僅使用了一個開關。這意味著表1中測量的ARCP損耗(在單個開關上測量)超過了代表性總損耗，工程師在優化的系統中會看到這種情況。

如何應用Pre-Switch技術進行設計

Pre-Switch專注于支持需要超過350V和功率范圍超過50kW的應用。雖然該技術可以擴展到更小的功率轉換器，但公司有意延遲進入這些市場。Pre-Switch正在銷售CleanWave200評估系統，以幫助客戶評估Pre-Switch基于AI的軟開關技術的周期適應性，并探索在其應用中采用更高開關頻率的好處。CleanWave200代表了一個具有PWM接口的逆變器的功率模塊。該系統可將800VDC雙向轉換為三相AC，功率高達200kW，開關頻率Fsw為100kHz，效率高達99%。

功率轉換世界從未如此令人興奮——真正的電力革命才剛剛開始。電動汽車、公交車、拖拉機、飛機、火車、船只、摩托車、機器人、無人機等正逐漸融入我們的生活。PreSwitch的AI控制架構釋放的革命，能夠實現DC/AC和AC/DC的軟開關，正在為未來的晶體管創新提供數十年的增量——就在今天。一個沒有開關損耗的世界改變了一切。

系統級的好處現在已經超出了孤立的逆變器子系統。純電動汽車通過純正弦波逆變器輸出提供的5-12%的額外續航里程已不再是“未來的”概念。通過大幅提高開關頻率獲得的二階好處現在已觸手可及。現在是時候增加電機極數，用更高的速度基礎驅動它們，并提高它們的RPM，從而增加功率密度，同時縮小尺寸和降低成本。現在是時候縮小太陽能逆變器，同時，我們也可以消除風力渦輪機、變頻器(VFD)、車載充電器(OBCs)和快速直流充電器的冷卻風扇。

可以預想一下，一個沒有開關損耗的世界終于到來了。