GOOGLE的小盒電源計劃冠軍作品

03-19

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。

最大負載：2kVA。（240Vrms,60Hz下的輸出）
功率密度：>50W/in^3（3W/cm^3）
體積：<40in^3（650cm^3）
輸入電壓：450V,10歐內阻
輸出電壓：240Vrms（±5%）
輸出頻率：60Hz
負載功率因數：0.7~1（感性或容性）
輸出電壓諧波畸變率：<5%
輸出電流諧波畸變率：<5%
效率：>95%
輸入電流紋波（120Hz）：<20%
輸入電壓紋波（120Hz）：<3%
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」。

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