在世界朝向利用可再生能源驱动电力系统的趋势下，做为这些系统主元件的转换器效益与性能越来越重要…
电源转换器是所有电气应用不可或缺的零件，包括电感器、用以转换可再生能源的系统，以及能源储存装置。随著全球加快速度降低温室气体排放量，将以往消耗石化燃料的系统电气化之需求越来越紧迫；而在世界朝向利用可再生能源驱动电力系统的趋势下，做为这些系统主元件的转换器效益与性能越来越重要。
于能源转型领域占有市场一席之地的加拿大业者Hillcrest Energy Technologies，打算以身作则推动能源产业脱碳(decarbonize)；该公司的技术聚焦于释放电气化的效率，最大化整合式电力系统的性能。该公司技术长Ari Berger表示：“我们虽然专注为电动车(EV)打造牵引逆变器，所开发的技术也能用在广泛的产业领域，让电气系统更有效率。”
Berger指出，Hillcrest的技术可免除整个电力产业所面临的传统设计折衷──要实现更高开关频率，意味着损耗进一步提升，使得系统效率降低、发热量更高。“透过结合硬体与控制软体的专业知识，Hillcrest的技术大幅减少了开关损耗，让电源应用可利用更高的开关频率，实现电源系统性能与可靠性的改善，并在不影响效率的前提下以更高功率水准运作。”
以碳化硅为基础的逆变器技术借由减少逆变器损耗，Hillcrest的逆变器技术降低了整个动力传动系统的散热管理需求量；而透过降低系统的复杂程度，以及纾解电源零组件的一些压力，可望带来相当程度的成本节省。
已经有以硅为基础的技术──像是MOSFET──用来减轻传导耗损，而最近则有利用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽能隙半导体开发的低导通阻抗开关。这些元件也透过缩短转换时间来降低开关损耗，但反过来会导致EMI以及高dV/dt的问题，对可靠性带来负面影响。
另一种方法是透过降低电流与电压转换重叠(transition overlap)，以减少或消除开关损耗；众所周知的方法是利用零电压切换(zero-voltage switching，ZVS)。ZVS能实现“软开关”(soft switching)，能避免在传统PWM与同步方法中经常发生的开关损耗。
若MOSFET是软开关，任何电压或电流重叠会被消除，降低损耗。在MOSFET打开或关闭时，电压会降至零(非闲置)；当电流(非电压)接近零的时候，也可以用这种方法来翻转MOSFET，该种方法叫做零电流切换(Zero-current switching，ZCS)。事实上软开关波形还有另一个好处，是可以降低EMI。
软开关(或ZVS)最精确的定义，是在MOSFET运作的同时转换标准PWM电源，不过是以“谐振”(resonant)开关转换。这种方法或许可以和利用恒定控制来改变频率、或在运作期间维持输出电压调节的PWM电源供应器相比较；这种方法等同于在一个既定时间单位内，以可调工作周期(adjustable duty cycle)实现的固定频率转换。
ZVS还有另外两个优势：一是能在更高频率下运作，这能降低杂讯、简化滤波、使用更少的滤波元件；另一个是能最小化任何EMI的谐波频谱(透过将之聚焦于开关频率)。其缺点则是不能保证MOSFET在关闭前会用尽所有能量，特别是在高频率下。
那些“被储存起来”的能量随著时间累积可能会导致零件故障，特别是在快速开关的电压调节器中。为了确保所有能量从MOSFET电晶体排出，电源模组制造商采用的解决方案是以高速本体二极体(fast body diode)与开关并联。
现有ZVS方法并不适合电动车的牵引应用，因为受限于温度、负载相关性能以及运作范围狭窄等问题；而Hillcrest的逆变器技术则利用了一种透过微控制器、以创新软体算法所控制的ZVS方法，这种方法能实现软开关并大幅降低开关损耗。借由降低开关损耗，转换器的开关频率得以提升，系统也能享受到高开关频率的好处，取得更佳性能与进一步缩小尺寸。
“目前我们是以1,200V的SiC半导体进行开发，因为以今日的观点看来，它们最适合牵引应用；”Hillcrest的策略伙伴、专长电力电子与电磁元件设计的德国业者Systematec管理总监暨创办人Harald Hengstenberger表示，目前的牵引系统开关频率约10kHz，“利用我们的高效率逆变器技术，我们看到在可变调整该开关频率至整体系统效率最佳值方面有相当大的优势，最高可接近100kHz。”
Hengstenberger指出，GaN开关适合更高的开关频率，“我们看到它们被应用于充电器，或者是DC/DC转换器中。”
而Hilllcrest认为，所有高运作时间或是高效率需求的应用市场，都会发现这种类型的逆变器优势。Berger指出：“除了电动车以及交通产业，Hilllcrest的逆变器技术平台能为各种终端应用提升效率与可靠性，包括连结电网的可再生能源、充电与储电系统，以及公用事业规模电网、铁路、货轮等等逆变器扮演要角的高电压/高功率应用。”
由于Hillcrest的逆变器技术能显著降低开关损耗，实现更高的开关频率，并因此取得更佳输出功率品质、更低的总谐波失真，以及更小的DC-link电容器尺寸。该技术也能降低主电源开关的dV/dt，且不会对损耗带来不利影响；这有助于保护马达绕组与电缆免受绝缘击穿(insulation breakdown)，并减少传统上由EMI导致的问题。
根据Hillcrest的说法，那些特色能提供有价值的系统级优势，像是缩小马达尺寸、减少冷却需求、降低转矩涟波(torque ripple)，以及增加牵引应用的机械零件使用寿命。
“在进行半导体元件开发时，通常得在尽可能最低的正向损耗与良好开关性能之间折衷，”Berger表示：“利用我们的高效率逆变器技术，基本上可以消除功率半导体元件的开关损耗，并因此让尽可能实现最低导通损耗而最佳化的新一代半导体元件，进一步提升效率与应用范围。Hillcrest高效率逆变器技术所采用的特殊开关方法，也能降低DC电路的涟波电流，让电池寿命得以延长。在我们看来，该种类型的半导体在这方面并非决定性的。”
图1与图2显示了5A电流下，朝向转换器(负向)的关断转换。在硬开关架构中，峰值功率为1.5kW的开关约消耗65μJ，dV/dt则约为13kV/μs，是会损坏电缆与马达的程度。在另一方面，软开关架构下的转换损耗非常低，仅2μJ，dV/dt值则为1.1kV/μs，这能让马达与电缆的使用寿命更长、并降低EMI以及屏蔽的需求。
图1：在5A内向负载电流下的硬开关(hard-switching)关断。(来源：Hillcrest Energy Technologies)
图2：在5A内向负载电流下的软开关关断。(来源：Hillcrest Energy Technologies)
扩展车用市场
逆变器开发的主要驱动力，总不外乎尺寸、重量与成本；而装置的最终效率，是这三个方面的要求相互影响/折衷的结果。
“借由消除开关耗损，效率高达97.5%~98%左右的逆变器，可再提升1.5%的效率；”Berger表示：“尽管提高逆变器效率很有价值，决定性的优势在于逆变器的更高开关频率。借由提高逆变器开关频率，电气设备的供电电流品质也能显著提升，在部分负载范围内的系统效率会提升近14%，然后对负载范围带来更显著的效应。”
Hillcrest指出，其逆变器技术有助于透过让部分零件更进一步缩小，助力减轻在封装上遭遇的挑战；Berger指出：“在产品设计上，我们的伙伴Systematec有多年的车用领域硬体设计经验，我们也打算与该领域的其他公司合作，包括Tier One车用零组件供应商以及车厂。”
(参考原文：SiC-Based Inverter Improves Efficiency in EVs, Renewables，by Maurizio Di Paolo Emilio)
AOS 的车用 aSiC MOSFET 提供 750V 至 1200V 电压范围，涵盖大多数 400V 和快速扩展的 800V 电动汽车电池系统。
Q&A:
- 第三代半导体（又称“宽能隙半导体”，WBG）是指哪两种元件?
ANS: “碳化硅”（SiC）和“氮化镓”（GaN）
- 为何会有第三代半导体产生?
ANS: 为了降低碳排放及开关损耗与发热量, 藉以提升效率与其性能
- 目前 GaN 元件常用于何种领域?
ANS: 用于电压 900V 以下例如充电器、基地台、5G 通讯相关等产品
- 目前 SiC元件常用于何种领域?
ANS: 用于电压大于 650 V以上例如能源设备、电动车等相关应用
- 有什么控制方法可以减少或消除开关损耗?
ANS: 使用零电压切换(ZVS)及零电流切换(ZCS)