Hoe de inductantie van commutatie-lussen optimaliseren in een hoogfrequent energieomzetter?

In de wereld van hoogfrequente energieomzetting is het minimaliseren van parasitaire inductanties van cruciaal belang voor het verbeteren van de efficiëntie en prestaties van omvormers. De commutatie-lussen van de converter omvatten verschillende componenten, zoals schakelaars, DC-link condensatoren en de busbar-componenten die de verbindingen tussen de schakelaars vormen. Het begrijpen en optimaliseren van de inductantie van deze lussen is essentieel voor het ontwerp van efficiënte converters, zoals de 3L-ANPC omvormer, die steeds belangrijker wordt voor toepassingen zoals ultrafast opladen van elektrische voertuigen.

Bij de evaluatie van commutatie-lussen zijn er drie hoofdcomponenten: de schakelaars, de condensatoren van de DC-link en de busbarcomponenten. De inductantie van de commutatie-lussen wordt bepaald door zowel zelf-inductanties als de wederzijdse inductantie tussen de verschillende componenten. De inductantie van een busbar kan worden gemanipuleerd door de geometrie en opstelling ervan te optimaliseren, wat resulteert in kortere paden voor hoogfrequente stromen en dus een lagere inductantie. Dit proces is essentieel voor het optimaliseren van de prestaties van de converter bij hoge schakelfrequenties.

De parasitaire inductantie in de commutatie-lussen wordt meestal geëxtraheerd door middel van simulaties, zoals ANSYS Q3D FEM-analyse, die in staat is om de gedetailleerde elektromagnetische velden te berekenen en de inductanties van de busbars te extraheren. Door de geometrie van de busbars zorgvuldig te ontwerpen en de verschillende componenten in de converter te optimaliseren, kan de inductantie in de lussen aanzienlijk worden verminderd, wat leidt tot een lager verlies bij hogere schakelfrequenties en een betere algehele systeemprestatie.

De simulatie en de theoretische modellen voor inductantie-extractie gebruiken specifieke parameters die afhankelijk zijn van de gebruikte componenten, zoals de SiC half-bridge modules en de filmcondensatoren. Het is belangrijk om te begrijpen dat de inductantie van de busbarcomponenten sterk afhankelijk is van de geometrie en opstelling. Een optimale integratie van de componenten resulteert in kortere stroompaden voor de hoogfrequente stromen, wat de inductantie verder vermindert.

De geometrie van de busbars heeft invloed op de totale inductantie, en het ontwerp van de busbars is dus een kritieke factor. De lagen van de busbar kunnen zodanig worden gestapeld dat de stroom via verschillende lagen terugkeert in tegengestelde richting, wat zorgt voor een negatieve MPI tussen de busbars en zo de inductantie minimaliseert. Dit principe wordt toegepast bij de 3L-ANPC-omvormer, waar de busbars in lagen worden gestapeld om een zo laag mogelijke inductantie te bereiken.

Het belang van het begrijpen van de invloed van de zelf-inductanties en wederzijdse inductanties op de commutatie-lussen kan niet genoeg benadrukt worden. Terwijl de SPI’s van de schakelaars en condensatoren vaak vaststaan en moeilijk te wijzigen zijn, kunnen de SPI’s van de busbarcomponenten worden geoptimaliseerd door de geometrie van de busbars aan te passen. Dit betekent dat de ontwerper een aanzienlijke mate van controle heeft over de prestaties van de converter, zelfs bij gebruik van dezelfde basiscomponenten.

Wat daarnaast van belang is, is de invloed van de wisselfrequentie van de half-bridge modules op de inductantie van de lussen. Bij hogere frequenties zullen de parasitaire inductanties sterker gaan spelen en kunnen ze leiden tot grotere verliezen. Het afstemmen van de schakelingsfrequentie en het ontwerp van de componenten om deze inductanties te minimaliseren, is daarom een essentieel aspect van het ontwerp van efficiënt werkende converters.

Naast de ontwerpprincipes van de inductantie zelf, is het ook belangrijk om de rol van de testen en simulaties in de evaluatie van deze inductanties te begrijpen. De praktische testen van de 3L-ANPC-omvormer in een laboratoriumomgeving kunnen waardevolle inzichten geven in de werkelijke prestaties van het systeem, terwijl simulaties helpen om het gedrag van de inductanties te voorspellen en te optimaliseren voordat het systeem fysiek wordt gebouwd.

Hoe de nieuwste technologieën de efficiëntie en het vermogen van elektrische voertuigen en andere energietoepassingen verbeteren

In de snel evoluerende wereld van de energieconversie is de ontwikkeling van hoogvermogen elektronische systemen een sleutelgebied van vooruitgang. De recente innovaties met betrekking tot breedband-gap (WBG) halfgeleiders, zoals SiC (Silicon Carbide) en GaN (Gallium Nitride), hebben de prestaties van converters aanzienlijk verbeterd. Deze technologieën maken het mogelijk om energie efficiënter om te zetten, met minimale passieve componenten, terwijl de vermogensdichtheid en efficiëntie dramatisch toenemen.

Een opvallend voorbeeld van deze vooruitgang is het gebruik van een vijf-niveau converter die de gemeenschappelijke-modus spanning die door een SiC-gebaseerde AC/DC converter wordt gegenereerd, tegenwerkt. Dit vermindert de ruis die anders door het systeem zou kunnen verspreiden, wat essentieel is voor de betrouwbaarheid en de prestaties van moderne energieomzetters. Door gebruik te maken van SiC-gebaseerde converters en multi-level ruis-nulifiers, kan men een ontwerp realiseren met minder passieve componenten, terwijl de algehele efficiëntie en vermogensdichtheid aanzienlijk toenemen in vergelijking met conventionele ontwerpen die afhankelijk zijn van grote passieve componenten. Zo werd een prototype van een luchtgekoelde 25 kW converter gedemonstreerd, die een piekefficiëntie van 98,7% behaalde, met een vermogensdichtheid van 12,1 kW/kg en een totaal harmonische vervorming van slechts 3,8%.

Een ander belangrijk concept is de toepassing van SiC FET’s in differential-mode rectifiers, zoals die gebruikt worden in het ontwerp van een universele batterij-superlader (UBS). Dit ontwerp vervangt de conventionele meertraps-stroomomzetters en isolatietransformatoren in snelladers voor batterijen, wat resulteert in een aanzienlijke vermindering van de kosten en de grootte van het apparaat. De drie-fase 60 kW UBS voor EV DCQC toepassingen kan de vereisten voor een ingang van 480 Vrms AC en een uitgang van 500 V DC efficiënt voldoen, met een piekefficiëntie van 98% en een kostenprijs van 5 cent per watt in massaproductie. Het gebruik van UBS heeft ook invloed op de verduurzaming en de integratie van gedistribueerde energiebronnen (DER), wat de energie-infrastructuur in de toekomst zal beïnvloeden.

Capacitive-link universele converters vormen een andere innovatieve benadering die de unieke eigenschappen van WBG-schakelaars benut, zoals een hoge terugspanningsblokkering en snelle schakelfrequenties. Deze topologie minimaliseert de grootte van de passieve componenten, niet alleen door de schakelfrequentie te verhogen, maar ook door grotere spanningsrimpels toe te staan en de piekwaarde van de spanning over de koppelingcondensator, schakelaars en diodes te verhogen. De voordelen van deze aanpak werden aangetoond door een 20 kW drie-fase omvormer die als testbed diende voor theoretische en experimentele analyses.

De toepassing van WBG-halfgeleiders breidt zich verder uit naar vele andere kritieke gebieden, zoals motoraandrijvingen, zware transportomvormers, luchtvaart, elektrische voertuigen en snel opladen van batterijen. Het gebruik van WBG-componenten maakt niet alleen efficiëntere omvormers mogelijk, maar verhoogt ook de betrouwbaarheid en de levensduur van de systemen. Zo wordt bijvoorbeeld een co-ontwerpmethode voor elektromechanische systemen voorgesteld die de efficiëntie en vermogensdichtheid optimaliseert door de complexiteit van de schakelingen, apparaatbeoordelingen, thermisch beheer en betrouwbaarheid te balanceren.

De integratie van WBG-technologieën in de luchtvaart, met name bij elektrische vliegtuigen, biedt aanzienlijke voordelen, waaronder vermindering van het gewicht, lagere koelvereisten en een verbeterd energieverbruik van de batterij. De implementatie van deze technologie in hybride elektrische vliegtuigen, zoals de Ampaire Cessna 337, wordt beschouwd als een belangrijke stap richting de elektrificatie van de luchtvaartsector. De technologie heeft ook invloed op andere luchtvaartcomponenten, zoals hoge-snelheidszekeringen en vliegende condensator-DC-DC converters, die zijn gecertificeerd voor gebruik in vliegtuigen.

Naast de structurele verbeteringen in converters voor luchtvaart en transport, biedt de ontwikkeling van ultrasnelle laders voor elektrische voertuigen veelbelovende mogelijkheden. De uitdaging van langdurige oplaadtijden wordt aangepakt door de ontwikkeling van een hoogfrequente lader (1 MHz en 1 MW) die het mogelijk maakt de oplaadtijd van elektrische voertuigen te verkorten tot minder dan tien minuten. Deze technologie maakt gebruik van SiC MOSFET-modules, die de voordelen van hoge schakelfrequentie benutten en de afmetingen van systeemmagneten verminderen.

Deze geavanceerde technologieën vertegenwoordigen de toekomst van energieconversie, waarbij de efficiëntie, vermogensdichtheid en kosten van elektronische systemen een enorme impact hebben op een breed scala aan industriële toepassingen. De voortdurende vooruitgang in de ontwikkeling van WBG-halfgeleiders zal blijven bijdragen aan de verbetering van de prestaties van omvormers, laders en andere kritieke energieomzetters, en zal uiteindelijk de overgang naar duurzamere energieoplossingen bevorderen.

Hoe de optisch gestuurde transistorwerking in SiC:V-materialen de prestaties van schakelaars beïnvloedt

In de studie van recombinatietijden in SiC:V-materialen is de relatie tussen de recombinatietijd en de kruissectie van vallen cruciaal. De recombinatietijd, aangeduid als τ_T, is omgekeerd evenredig met de vallen-kruissectie (σ_TR) en de concentratie van valcentra (N_TR). Dit betekent dat een hogere concentratie van valcentra leidt tot een kortere recombinatietijd, wat zich vertaalt in snellere elektronendynamica in halfgeleiders zoals SiC:V. Deze relatie wordt vaak beschreven door de klassieke Shockley-Read-Hall (SRH) recombinatiemodel. Echter, in gevallen waar een verhoogde concentratie van bijvoorbeeld vanadium (V) aanwezig is, kunnen de recombinatieprocessen complexer worden, zoals blijkt uit de experimenten die gebruik maken van een GT-analyse (GTA) en een amfotere model.

In dit geval komt het amfotere model beter overeen met de experimentele gegevens. Het benadrukt dat er twee verschillende recombinatiekanalen zijn in SiC:V-materialen: een die consistent is met het klassieke SRH-model en een andere die een amfotere benadering vereist om goed begrepen te worden. Dit stelt ons in staat te concluderen dat de snelle recombinatiekanalen zich volgens de klassieke theorie gedragen, terwijl de tragere kanalen het beste kunnen worden verklaard door het amfotere model.

Onderzoek met behulp van synchrotron-X-ray topografie heeft aangetoond dat dislocaties in SiC-materialen relatief stabiel zijn onder gecombineerde fotonische en elektrische stressen. De beweging van dislocaties werd niet waargenomen, zelfs niet na langdurige blootstelling aan spanningen en lichtpulsen. Dit is te verklaren doordat de energie die wordt overgedragen aan de ladingsdragers in deze systemen onvoldoende is om de dislocaties in beweging te brengen. Dit biedt belangrijke voordelen voor de toepassing van SiC in optisch gestuurde transistorachtige apparaten, aangezien het gebruik van optische aansturing de elektrische isolatie van de schakelaars vergemakkelijkt.

De transconductantie-eigenschappen van deze OTV's zijn vergelijkbaar met die van conventionele transistoren, maar met de extra voordelen van optische controle en hoge snelheid. De meetgegevens tonen aan dat bij een optische krachttoepassing een toename van de geleidbaarheid plaatsvond, wat leidde tot een grotere stroom door het schakelsubstraat. Dit gedrag werd gemeten over een breed spanningsbereik, en door het gebruik van belastinglijnanalyse konden de versterkingseigenschappen van het apparaat worden gekarakteriseerd. In praktijk kan deze techniek niet alleen de werking van een transistor nabootsen, maar ook het vermogen van SiC om te functioneren bij hogere snelheden en spanningen mogelijk maken, met versterkingsfactoren die doorgaans goed overeenkomen met die van traditionele apparaten.

Dit maakt de toepassing van SiC-materialen in optisch gestuurde schakelaars bijzonder veelbelovend voor de toekomst van hoogspanningstoepassingen en snelle schakeltechnologieën. De mogelijkheid om te schakelen bij hogere frequenties dan de huidige standaard apparaten maakt het mogelijk om nieuwe, efficiëntere apparaten te ontwikkelen die geschikt zijn voor de steeds veeleisendere eisen van moderne elektronische systemen.

In de toekomst zal het belangrijk zijn om verder onderzoek te doen naar de effecten van defecten onder gecombineerde elektrische en optische belasting. Dit zal ons niet alleen helpen om het gedrag van deze defecten beter te begrijpen, maar ook om de levensduur en betrouwbaarheid van optisch gestuurde schakelaars verder te optimaliseren. Verder kan het gebruik van deze technologie in combinatie met andere geavanceerde halfgeleidermaterialen nieuwe mogelijkheden openen voor het ontwerp van snelwerkende, efficiënte energieomzettingssystemen.

Hoe werkt en verbetert het bipolaire HSCC-ontwerp de efficiëntie van schakelende condensatorconverters?

Het totale schakelcyclusgedrag, bestaande uit de som van de drie submodi, bepaalt de schakelperiode (Tsw) en daarmee de schakel-frequentie (fsw). Deze frequentie wordt afgeleid uit een combinatie van inductantie, schakeltijden en de spanningsverhoudingen binnen het systeem. Het nauwkeurig modelleren van deze parameters is cruciaal voor het begrijpen van de energieoverdracht binnen de converter en voor het optimaliseren van de schakelfrequentie ten behoeve van efficiëntie.

Een belangrijke stap in het ontwerp is het bepalen van het invoervermogen (Pin), dat wordt berekend uit het product van de invoerspanning en de gemiddelde spoelstroom, waarbij de bijdrage van elke modus in de schakelfase wordt meegewogen. Dit maakt het mogelijk om theoretische voorspellingen te doen over het rendement en het gedrag van de converter onder variërende belasting- en spanningscondities.

De revisie van het bipolaire HSCC-prototype richt zich op het verbeteren van de efficiëntie door aanpassingen in de invoerspoel en de stadiumcondensatoren, wat bevestigd werd door uitgebreide simulaties. De keuze voor filmcondensatoren in parallel met keramische X7R-condensatoren draagt bij aan een gunstige hoogfrequente respons, waarbij negatieve capacitantie-effecten worden vermeden die typisch optreden bij uitsluitend keramische condensatoren. Hierdoor kan de converter hogere schakelfrequenties aan zonder significante prestatieverliezen.

Het is essentieel om te begrijpen dat de impedantie aan de uitgang van het converterstadium afhankelijk is van het product van de condensatorwaarde en de schakelfrequentie. Dit bepaalt de maximale stroomdoorvoer voordat spanningsstress en verlies onacceptabel worden. Een onjuiste dimensionering van de condensatoren of een te lage schakelfrequentie leidt tot een scherpe efficiëntiedaling bij toenemende belasting.

Naast het circuitontwerp spelen ook de schakelmethode en de gebruikte componentkwaliteit een cruciale rol. Het gebruik van Wide Band Gap (WBG) apparaten, zoals SiC-diodes en -MOSFET’s, draagt bij aan vermindering van schakelverliezen en verhoogt de thermische robuustheid, wat onmisbaar is voor hoge spanningstoepassingen. Het open-loop schakelschema, gecombineerd met zorgvuldig gekozen componentwaarden, maakt een praktische en efficiënte uitvoering mogelijk.

Wat is de rol van elektrothermisch co-ontwerpen in de verbetering van powerdensity en betrouwbaarheid van systemen voor zware toepassingen?

Bij het uitvoeren van werk in extreme omgevingen moeten elektrische systemen voldoen aan de strikte eisen op het gebied van grootte, gewicht en energieverbruik. Het ontwerpen van deze systemen vereist een zorgvuldige afweging van verschillende factoren, zoals efficiëntie, vermogen, complexiteit van het circuit, de sterkte van de componenten, thermisch beheer en de betrouwbaarheid van het gehele systeem. In dit kader biedt een elektrothermisch co-ontwerp, gecombineerd met een multi-objectieve optimalisatie methode, de beste resultaten door de doelen van efficiëntie en vermogensdichtheid af te stemmen tegen de beperkingen die worden opgelegd door de ontwerpcomplexiteit en de thermische uitdagingen.

Een ander belangrijk aspect van de elektrothermische co-ontwerpen is de combinatie van de elektrische en thermische ontwerpeisen. Door deze twee elementen gezamenlijk te optimaliseren, kunnen ontwerpers zowel de thermische dissipatie verbeteren als de elektrische prestaties maximaliseren. Het gebruik van SiC in de schakelaars biedt bijvoorbeeld niet alleen een hogere vermogensdichtheid, maar zorgt er ook voor dat het thermisch beheer eenvoudiger wordt, aangezien SiC betere warmtegeleidingseigenschappen heeft dan silicium. Deze integratie heeft niet alleen betrekking op de krachtige inverter zelf, maar ook op de stuurcircuits, die nu ook geoptimaliseerd kunnen worden voor zowel elektrische als thermische prestaties.

De effectiviteit van deze benadering wordt aangetoond in toepassingen zoals zwaar transport en elektrische luchtvaartuigen, waarbij de vereisten voor betrouwbare werking onder extreme omstandigheden bijzonder hoog zijn. In deze gevallen is het cruciaal om systemen te ontwikkelen die zowel bestand zijn tegen hoge temperaturen als grote mechanische belasting. SiC inverters bieden in dit opzicht aanzienlijke voordelen doordat ze in staat zijn om langere tijd onder hoge belastingen te werken zonder te falen.

Naast de technische voordelen van WBG halfgeleiders is er ook een significante impact op het algehele systeemontwerp. De integratie van thermische managementtechnieken, zoals vloeistofgekoelde warmtewisselaars en geoptimaliseerde koellichamen, speelt een sleutelrol in het verlengen van de levensduur van de systemen en het handhaven van de operationele prestaties. Innovaties op het gebied van de productie van deze koellichamen, zoals additieve fabricagetechnieken, maken het mogelijk om meer efficiënte ontwerpen te creëren die specifiek zijn afgestemd op de unieke eisen van elektrische aandrijfsystemen.

Bij de toepassing van deze technologieën is het echter belangrijk dat ingenieurs niet alleen kijken naar de prestaties van de systemen in ideale omstandigheden, maar ook rekening houden met de effecten van lange termijn gebruik, variaties in belasting en omgevingsomstandigheden. Het volledige ontwerp moet gericht zijn op het bereiken van een balans tussen maximale efficiëntie en minimale complexiteit, waarbij de betrouwbaarheid van het systeem altijd de hoogste prioriteit heeft.

De geoptimaliseerde ontwerpen, die voortkomen uit de toepassing van WBG-technologieën en elektrothermisch co-ontwerpen, bieden nieuwe mogelijkheden voor de toekomst van zowel civiele als militaire toepassingen. Niet alleen wordt de operationele efficiëntie verhoogd, maar ook de duurzaamheid van de systemen wordt vergroot, wat cruciaal is voor het bevorderen van de acceptatie van elektrische voertuigen en andere duurzame technologieën op grotere schaal.