GOOGLE的小盒電源計劃冠軍作品

2014年7月,google與電機電子工程師學會(IEEE)合作,面向全球所有的企業、研發機構和個人,發布了「小盒計劃」(little box challenge),提供高達100 萬美元獎金,希望能將逆變器體積縮為現在的十分之一,功率密度達到50W/in^3(3W/cm^3),不計成本,就想知道,以目前的技術水平,極限在哪裡。

記得當時,這個新聞被朋友圈給刷屏了,為了彰顯自己緊跟科技進步的理念,我也轉發了,而且很期待看到最終的結果。可是若干年過去了,結果沒看到任何消息,成了一件虎頭蛇尾的事情。為此我搭了樓梯,出去瞭望了一下,發現事情早就有了結果,只是一直沒有人聊這個話題。

比賽結果

google公布消息後,全球2000多支隊伍報名參加了比賽,多達80多個作品通過了審核(很多人估計就湊了個熱鬧,沒有堅持到最後)。

在2015年10月,18支隊伍的作品最終入圍(跟你想的一樣,沒有中國的隊伍,基本都是歐美),並送至國家新能源試驗室(National Renewable Energy Laboratory )進行測試。

2016年2月,google宣布將1百萬美元獎金頒給 CE+T Power的紅電魔王隊(Red Electrical Devils,以一個足球隊名字命名),獲得第二名的是施耐德電氣( Schneider Electric ),第三名是FEEC( Virginia Tech』s Future Energy Electronics Center,話說VT的電力電子水平很強啊,這個組的老闆是個台灣人)。

前三名的隊伍的所開發的2kW逆變器,均滿足賽會的技術指標,並通過了NREL的100小時測試。(是不是入圍的其他15支隊伍,都沒有通過100小時長時間測試啊?)

前三名的逆變器通過下圖可以看到,不論體積還是功率密度,均遠高於比賽的技術要求。紅電魔王對的指標更是碾壓二三名,體積是第三名的一半(有點變態啊!)。

上圖是頒獎時紅電魔王隊的照片,右三男士手裡拿的就是他們的作品。跟大家用的筆記本電源個頭差不多,我算了一下我筆記本電源功率45W,體積112cm^3,能量密度才0.4W/cm^3.

CET這個公司是比利時的(以前根本沒有聽說過),主要產品逆變器、UPS等電源,應用包括通信、工業以及數據中心。

比賽背景

google為啥要搞這個比賽呢?首先逆變器廣泛存在能源的生產和消費過程中,作為分散式能源的介面,如果能將其體積減小,小到一部手機的大小,那其大大推進分散式能源和能源互聯網的發展。所以google把比賽命名為小盒挑戰,看誰能把逆變器做的最小、能量密度最高。

比賽規則很簡單,在滿足技術要求的前提下,誰的體積最小、能量密度最高,誰就獲勝,完全不用考慮成本。下面我們簡單看看比賽的技術要求。

  1. 最大負載:2kVA。(240Vrms,60Hz下的輸出)
  2. 功率密度:>50W/in^3(3W/cm^3)
  3. 體積:<40in^3(650cm^3)
  4. 輸入電壓:450V,10歐內阻
  5. 輸出電壓:240Vrms(±5%)
  6. 輸出頻率:60Hz
  7. 負載功率因數:0.7~1(感性或容性)
  8. 輸出電壓諧波畸變率:<5%
  9. 輸出電流諧波畸變率:<5%
  10. 效率:>95%
  11. 輸入電流紋波(120Hz):<20%
  12. 輸入電壓紋波(120Hz):<3%
  13. 溫度:在15~30℃的測試環境下,外殼可觸摸處溫度不高於60℃

冠軍作品

電魔王對的逆變器尺寸是2.5*1.615*3.41in(6.35*4.1*8.66cm),測試效率達到了95.2%,輸入電流紋波只有7.8%(技術指標的三分之一),輸出電壓諧波1.1%(技術指標的五分之一)。主電路圖如下所示,一共5個橋臂,第一個橋臂用於有源濾波,其他四個組成H橋。

通過公開的資料,做到如此小的體積,主要有如下幾方面的設計思路。

1、GaN和軟開關

採用了GS66508P的GaN器件。雖然GaN非常適合高頻應用,但在400V時,每100kHz的開關頻率,開關損耗達到了5.9W,而且開關頻率跟負載大小沒有關係,會嚴重影響效率。為了進一步提高開關頻率,以便減小無源器件的體積,他們採用了軟開關ZVS(zero votlage switching)技術。根據負載的不同,開關頻率在了35k~240kHz範圍之內。

因為GaN擁有更快的開通速率和更高的dvdt,所以驅動的設計和抗電磁雜訊是難點。

2、電感

電感的體積和電感的感值、峰值電流和電流有效值成正比。他們將電流波動和平均電流的比值略大於1,工作在boundary conduction mode(BCM)模式下,這樣電流有效值只增加了15%,卻大大減小了電感體積。

3、輸入濾波器

單相的電壓和電流均正弦的前提下,必然會造成功率的2次波動,反應在直流上就是120Hz(60Hz的2倍)波動。技術指標中,要求輸入電流紋波(120Hz)<20%,輸入電壓紋波(120Hz)<3%。傳統的做法是增加濾波電容的容值,可要達到技術指標的要求,電容得大於1000uF,體積會很大。紅電魔王隊採用了並聯有源濾波器。通過控制,有源濾波器的電壓波動達到了200Vpp,將波動的能量存儲在了濾波電容中。這樣輸入電容C1小到15uF,濾波電容C5容值為150uF。

4、電流採樣

為了減小電流感測器的數量,在逆變器的輸出處,只採用了一個開環霍爾,其餘的電流信息通過狀態觀測器得到。

5、無源器件

電容採用了MLCC(Multi-layer Ceramic Capcitor).

電感用鐵氧體芯(比鐵芯好),繞線採用Litz線(就是多股線,減小集膚效應)。省去了骨架,直接將線繞在鐵氧體芯上(減小了一定體積)。在鐵氧體的氣隙中,放在氧化鋁薄膜,同時達到散熱的效果(這個設計好,但看不到實物)。

6、超薄電路板

厚度只有0.012in(0.3mm)。

7、熱設計

逆變器較小的體積決定了其表面積受限,通過外表面對流或傳到散熱量必然受限,所以紅電魔王對採用了軸流風扇進行強迫風冷。

為了減小熱阻,外殼和散熱器都採用了銅,其中散熱器採用了蜂巢結構,避免粉塵的堆積。

其內部結構如下圖所示。

總結

紅電魔王對的作品能取得如此高功率密度的關鍵是,採用了GaN器件,且工作在ZVS模式,且將MLC電容用於主動濾波器拓撲中,散熱器尺寸、陶瓷電容的結構布局、散熱通道的優化等等,是軟硬體緊密配合的傑作。隨著成本的降低,相信很多技術也會用到大家的產品中。

資料

爬牆的過程中,我找到一些資料,感興趣的,大家可在公眾號下,回復「xhjh」。


往期文章回顧:

技術文章

基於模型設計——電力電子的利器

日產LEAF 2011款電機控制器分析(二)

日產LEAF 2011款電機控制器分析(一)

日產LEAF 2011款電機分析

日產LEAF 2011款驅動系統分析(整車電氣)

雙向充放電電機控制器之 比亞迪

雙向充放電電機控制器之大陸篇

Simulink的MAAB建模規範都說了啥

PWM那些事兒

八卦文章

英威騰收購普林億威電機廠分析

上市公司的員工股權激勵能買房嗎?

又一家新能源汽車電力電子企業要上市了

坐火箭加速上市的南京越博

大洋電機和上海電驅動收購回顧

更多文章回顧請點擊公眾號"電力電子雜談"下側的菜單

推薦閱讀:

TAG:電氣工程 | 電源 | 電力電子技術 |