在世界朝向利用可再生能源驅動電力系統的趨勢下，做為這些系統主元件的轉換器效益與性能越來越重要…
電源轉換器是所有電氣應用不可或缺的零件，包括電感器、用以轉換可再生能源的系統，以及能源儲存裝置。隨著全球加快速度降低溫室氣體排放量，將以往消耗石化燃料的系統電氣化之需求越來越緊迫；而在世界朝向利用可再生能源驅動電力系統的趨勢下，做為這些系統主元件的轉換器效益與性能越來越重要。
於能源轉型領域佔有市場一席之地的加拿大業者Hillcrest Energy Technologies，打算以身作則推動能源產業脫碳(decarbonize)；該公司的技術聚焦於釋放電氣化的效率，最大化整合式電力系統的性能。該公司技術長Ari Berger表示：「我們雖然專注為電動車(EV)打造牽引逆變器，所開發的技術也能用在廣泛的產業領域，讓電氣系統更有效率。」
Berger指出，Hillcrest的技術可免除整個電力產業所面臨的傳統設計折衷──要實現更高開關頻率，意味著損耗進一步提升，使得系統效率降低、發熱量更高。「透過結合硬體與控制軟體的專業知識，Hillcrest的技術大幅減少了開關損耗，讓電源應用可利用更高的開關頻率，實現電源系統性能與可靠性的改善，並在不影響效率的前提下以更高功率水準運作。」
以碳化矽為基礎的逆變器技術藉由減少逆變器損耗，Hillcrest的逆變器技術降低了整個動力傳動系統的散熱管理需求量；而透過降低系統的複雜程度，以及紓解電源零組件的一些壓力，可望帶來相當程度的成本節省。
已經有以矽為基礎的技術──像是MOSFET──用來減輕傳導耗損，而最近則有利用碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬能隙半導體開發的低導通阻抗開關。這些元件也透過縮短轉換時間來降低開關損耗，但反過來會導致EMI以及高dV/dt的問題，對可靠性帶來負面影響。
另一種方法是透過降低電流與電壓轉換重疊(transition overlap)，以減少或消除開關損耗；眾所周知的方法是利用零電壓切換(zero-voltage switching，ZVS)。ZVS能實現「軟開關」(soft switching)，能避免在傳統PWM與同步方法中經常發生的開關損耗。
若MOSFET是軟開關，任何電壓或電流重疊會被消除，降低損耗。在MOSFET打開或關閉時，電壓會降至零(非閒置)；當電流(非電壓)接近零的時候，也可以用這種方法來翻轉MOSFET，該種方法叫做零電流切換(Zero-current switching，ZCS)。事實上軟開關波形還有另一個好處，是可以降低EMI。
軟開關(或ZVS)最精確的定義，是在MOSFET運作的同時轉換標準PWM電源，不過是以「諧振」(resonant)開關轉換。這種方法或許可以和利用恆定控制來改變頻率、或在運作期間維持輸出電壓調節的PWM電源供應器相比較；這種方法等同於在一個既定時間單位內，以可調工作週期(adjustable duty cycle)實現的固定頻率轉換。
ZVS還有另外兩個優勢：一是能在更高頻率下運作，這能降低雜訊、簡化濾波、使用更少的濾波元件；另一個是能最小化任何EMI的諧波頻譜(透過將之聚焦於開關頻率)。其缺點則是不能保證MOSFET在關閉前會用盡所有能量，特別是在高頻率下。
那些「被儲存起來」的能量隨著時間累積可能會導致零件故障，特別是在快速開關的電壓調節器中。為了確保所有能量從MOSFET電晶體排出，電源模組製造商採用的解決方案是以高速本體二極體(fast body diode)與開關並聯。
現有ZVS方法並不適合電動車的牽引應用，因為受限於溫度、負載相關性能以及運作範圍狹窄等問題；而Hillcrest的逆變器技術則利用了一種透過微控制器、以創新軟體演算法所控制的ZVS方法，這種方法能實現軟開關並大幅降低開關損耗。藉由降低開關損耗，轉換器的開關頻率得以提升，系統也能享受到高開關頻率的好處，取得更佳性能與進一步縮小尺寸。
「目前我們是以1,200V的SiC半導體進行開發，因為以今日的觀點看來，它們最適合牽引應用；」Hillcrest的策略夥伴、專長電力電子與電磁元件設計的德國業者Systematec管理總監暨創辦人Harald Hengstenberger表示，目前的牽引系統開關頻率約10kHz，「利用我們的高效率逆變器技術，我們看到在可變調整該開關頻率至整體系統效率最佳值方面有相當大的優勢，最高可接近100kHz。」
Hengstenberger指出，GaN開關適合更高的開關頻率，「我們看到它們被應用於充電器，或者是DC/DC轉換器中。」
而Hilllcrest認為，所有高運作時間或是高效率需求的應用市場，都會發現這種類型的逆變器優勢。Berger指出：「除了電動車以及交通產業，Hilllcrest的逆變器技術平台能為各種終端應用提升效率與可靠性，包括連結電網的可再生能源、充電與儲電系統，以及公用事業規模電網、鐵路、貨輪等等逆變器扮演要角的高電壓/高功率應用。」
由於Hillcrest的逆變器技術能顯著降低開關損耗，實現更高的開關頻率，並因此取得更佳輸出功率品質、更低的總諧波失真，以及更小的DC-link電容器尺寸。該技術也能降低主電源開關的dV/dt，且不會對損耗帶來不利影響；這有助於保護馬達繞組與電纜免受絕緣擊穿(insulation breakdown)，並減少傳統上由EMI導致的問題。
根據Hillcrest的說法，那些特色能提供有價值的系統級優勢，像是縮小馬達尺寸、減少冷卻需求、降低轉矩漣波(torque ripple)，以及增加牽引應用的機械零件使用壽命。
「在進行半導體元件開發時，通常得在盡可能最低的正向損耗與良好開關性能之間折衷，」Berger表示：「利用我們的高效率逆變器技術，基本上可以消除功率半導體元件的開關損耗，並因此讓盡可能實現最低導通損耗而最佳化的新一代半導體元件，進一步提升效率與應用範圍。Hillcrest高效率逆變器技術所採用的特殊開關方法，也能降低DC電路的漣波電流，讓電池壽命得以延長。在我們看來，該種類型的半導體在這方面並非決定性的。」
圖1與圖2顯示了5A電流下，朝向轉換器(負向)的關斷轉換。在硬開關架構中，峰值功率為1.5kW的開關約消耗65μJ，dV/dt則約為13kV/μs，是會損壞電纜與馬達的程度。在另一方面，軟開關架構下的轉換損耗非常低，僅2μJ，dV/dt值則為1.1kV/μs，這能讓馬達與電纜的使用壽命更長、並降低EMI以及屏蔽的需求。
圖1：在5A內向負載電流下的硬開關(hard-switching)關斷。(來源：Hillcrest Energy Technologies)
圖2：在5A內向負載電流下的軟開關關斷。(來源：Hillcrest Energy Technologies)
擴展車用市場
逆變器開發的主要驅動力，總不外乎尺寸、重量與成本；而裝置的最終效率，是這三個方面的要求相互影響/折衷的結果。
「藉由消除開關耗損，效率高達97.5%~98%左右的逆變器，可再提升1.5%的效率；」Berger表示：「儘管提高逆變器效率很有價值，決定性的優勢在於逆變器的更高開關頻率。藉由提高逆變器開關頻率，電氣設備的供電電流品質也能顯著提升，在部分負載範圍內的系統效率會提升近14%，然後對負載範圍帶來更顯著的效應。」
Hillcrest指出，其逆變器技術有助於透過讓部分零件更進一步縮小，助力減輕在封裝上遭遇的挑戰；Berger指出：「在產品設計上，我們的夥伴Systematec有多年的車用領域硬體設計經驗，我們也打算與該領域的其他公司合作，包括Tier One車用零組件供應商以及車廠。」
(參考原文：SiC-Based Inverter Improves Efficiency in EVs, Renewables，by Maurizio Di Paolo Emilio)
AOS 的車用 aSiC MOSFET 提供 750V 至 1200V 電壓範圍，涵蓋大多數 400V 和快速擴展的 800V 電動汽車電池系統。
Q&A:
- 第三代半導體（又稱「寬能隙半導體」，WBG）是指哪兩種元件?
ANS: 「碳化矽」（SiC）和「氮化鎵」（GaN）
- 為何會有第三代半導體產生?
ANS: 為了降低碳排放及開關損耗與發熱量, 藉以提升效率與其性能
- 目前 GaN 元件常用於何種領域?
ANS: 用於電壓 900V 以下例如充電器、基地台、5G 通訊相關等產品
- 目前 SiC元件常用於何種領域?
ANS: 用於電壓大於 650 V以上例如能源設備、電動車等相關應用
- 有什麼控制方法可以減少或消除開關損耗?
ANS: 使用零電壓切換(ZVS)及零電流切換(ZCS)