7 декабря 2022 г.
Новый и более эффективный способ моделирования и проектирования силовых электронных преобразователей с использованием искусственного интеллекта (ИИ) был создан командой из Университета Кардиффа и компании Compound Semiconductor Applications (CSA) Catapult (штаб-квартира в Ньюпорте, Южный Уэльс). Лаборатория силовой электроники CSA Catapult позволяет внедрять инновации за счет комплексного моделирования, определения характеристик, интеграции и проверки силовых преобразователей с более высокой эффективностью и надежностью при уменьшенных размерах, весе и стоимости системы. Стратегически работая с академическими партнерами, такими как Университет Кардиффа, CSA Catapult устраняет разрыв между исследованиями и разработкой приложений.
Существующие методы проектирования силовых преобразователей во многом опираются на сложные математические модели, что значительно увеличивает время вычислений и сложность процесса проектирования. Новый метод сократил время разработки технологии до 78% по сравнению с традиционными подходами и был использован для создания устройства с эффективностью более 98% (IEEE Open Journal of Power Electronics и IEEE Transactions on Power Electronics).
Хорошо спроектированный силовой электронный преобразователь должен иметь высокий КПД, малый объем, малый вес, низкую стоимость и низкую частоту отказов. Таким образом, основная цель метода проектирования силового преобразователя состоит в том, чтобы найти наилучшее соотношение между этими показателями производительности.
В своем исследовании команда изучила новый метод проектирования с использованием искусственных нейронных сетей (ИНС), в котором используются алгоритмы и вычислительные системы, имитирующие взаимосвязанные нейронные сети человеческого мозга. ИНС была обучена на существующем наборе данных из более чем 2000 конструкций, поэтому команда могла выбрать наиболее подходящую конструкцию для желаемой эффективности и удельной мощности. Команда выбрала четыре основных компонента для конструкции на основе ИНС, включая силовые полевые транзисторы (FET) из нитрида галлия (GaN), катушки индуктивности, конденсаторы и радиаторы.
Подход к проектированию был подтвержден экспериментальными испытаниями однофазного инвертора на основе GaN, созданного с использованием указанной конструкции. Эффективность и удельная мощность устройства были хорошо согласованы с конструкцией и в пределах диапазона существующих устройств, что делало его технически конкурентоспособным и коммерчески жизнеспособным.
«Подходы к точному и быстрому моделированию/моделированию переходных процессов необходимы для эффективной и быстрой оптимизации производительности систем силовой электроники с широкой запрещенной зоной», — говорит соавтор исследования доктор Венлонг Минг, старший преподаватель Университета Кардиффа и старший научный сотрудник CSA Catapult. .
«Автоматизированная оптимизация конструкции силовой электроники позволяет в полной мере использовать преимущества широкозонных силовых полупроводников по сравнению с их кремниевыми аналогами», — добавляет соавтор доктор Инго Людтке, глава отдела силовой электроники в CSA Catapult.
CSA Catapult, созданная в 2017 году правительственным агентством Великобритании Innovate UK (которое обеспечивает финансирование и поддержку бизнес-инноваций в рамках UK Research and Innovation), является некоммерческой организацией, деятельность которой направлена на ускорение внедрения составных полупроводников и на доведение приложений до жизнь в четырех технологических областях: силовая электроника, ВЧ и СВЧ, современная упаковка и фотоника. Он работает по всей Великобритании в различных отраслях промышленности, от автомобилестроения до медицины и от цифровых коммуникаций до аэрокосмической отрасли.
