Multilevel-konvertere representerer en avansert metode for å tilnærme sinusformede spenningskurver ved hjelp av trappetrinnsformede bølger. Dette gjør det mulig å oppnå høyere kvalitet på utgangssignalet ved å øke antallet spenningsnivåer, noe som reduserer harmoniske forvrengninger og elektromagnetisk interferens (EMI). Prinsippet for slike konvertere baserer seg på modulære enheter som kan kobles sammen for å danne det ønskede multitrinnsutgangen.

En av de mest intuitive og utbredte topologiene er den modulære H-bro-konverteren, hvor hvert trinn i den trappetrinnsformede bølgen genereres av en enkeltfase H-bro-modul. Hver modul opererer uavhengig og styrer polariteten til utgangsspenningen ved hjelp av isolerte gate-bipolare transistorer (IGBT-er). Dette gir en effektiv måte å bygge opp en flernivåspenning der hvert trinn har lik høyde, noe som både forenkler konstruksjonen og muliggjør optimal modulering for bedre bølgeformkontroll. Strømforsyningen til hver modul krever et stabilt likestrømsnivå, som vanligvis kommer fra en annen konverter eller batteri.

En videreutvikling av H-bro-topologien inkluderer deling av broen i to inverterben, hvor hvert ben bidrar til enten den positive eller negative halvbølgen av utgangsspenningen. Denne løsningen brukes blant annet i høyspennings likestrømsoverføringssystemer (HVDC) med store effektbehov, hvor flere hundre kraftmoduler settes sammen for å håndtere høye spenninger og strømmer.

Fordelen med multilevel-konvertere i høyspenningsapplikasjoner er blant annet at hver kraftkomponent (IGBT) kun behøver å tåle en brøkdel av totalspenningen. For eksempel kan 1200 V IGBT-er anvendes i kretser med utgangsspenning på 2400 V RMS. Dette gjør det mulig å bruke mellomspenningskomponenter i systemer som ellers krever svært høy spenning, noe som reduserer kostnader og øker pålitelighet.

PWM-styringen i multilevel-konvertere opererer typisk mellom to tilstøtende nivåer, noe som resulterer i mindre plutselige spenningsendringer (mindre dv/dt) og dermed lavere elektromagnetisk støy. Den modulære strukturen gir også fordeler i form av enklere produksjon, vedlikehold og mulighet for distribuert strømforsyning ved å koble sammen flere lavereffekt kilder.

En annen kjent topologi innen multilevel-konvertere er den flygende kondensatorkonverteren. Her bygges multilevel-spenningen opp ved hjelp av flere kondensatorer som er seriekoblet slik at spenningsnivåene kan lagres og kombineres på en kontrollert måte. Denne løsningen krever at kondensatorspenningene holdes jevne for å sikre riktig drift og forhindre overspenninger. Flygende kondensatorkonvertere kan dermed oppnå flere spenningsnivåer med et moderat antall komponenter, men krever avansert styring for balansering av kondensatorene.

Viktigheten av å forstå de underliggende prinsippene for multilevel-konvertere ligger ikke bare i deres evne til å redusere harmoniske og forbedre effektkvalitet, men også i hvordan valg av topologi påvirker systemets pålitelighet, kostnad og kompleksitet. For å få full nytte av multilevel-konvertere må man også ha innsikt i hvordan moduleringen kan optimeres for ulike bruksområder, hvordan komponentenes spenningsgrenser og termiske forhold håndteres, og hvordan systemet kan skaleres for høyere effekter uten at det går på bekostning av stabilitet eller effektivitet.

Endelig er det avgjørende å anerkjenne de praktiske begrensningene ved hver topologi. Selv om H-bro-moduler er modulære og lett kan utvides, kan kostnaden bli betydelig ved lave effektnivåer på grunn av mange komponenter. Flygende kondensatorkonvertere krever mer kompleks kontroll og vedlikehold av kondensatorbalanse, som igjen påvirker systemets driftssikkerhet.

Det er også vesentlig å forstå at multilevel-konvertere i høyspenningssystemer spiller en nøkkelrolle i fremtidens energisystemer, hvor krav til fleksibilitet, energieffektivitet og miljøvennlighet blir stadig strengere. Forståelsen av både de teoretiske og praktiske aspektene ved disse topologiene gjør det mulig å designe konvertere som kan møte disse utfordringene på en bærekraftig måte.

Hvordan MOSFET-enheter og nye halvledermaterialer påvirker effektiviteten i kraftomformere

MOSFET-enheter (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) er grunnleggende komponenter i moderne kraftomformere, spesielt i systemer med medium spenning (flere hundre volt). En spesiell type MOSFET, CoolSiC™, er bygget på en struktur som benytter en dypgrøft-basert design, der FET-kanalen fungerer som et innebygd JFET-lignende kanal. Denne teknologien gir høy elektrisk ledningsevne og effektivt svitsjeegenskaper, noe som gjør den ideell for applikasjoner som krever høy hastighet og lavt energitap.

En betydelig egenskap ved CoolSiC™ MOSFET er dens temperaturavhengighet. Hele motstanden i enheten, kjent som Rdson, er avhengig av temperatur, da både MOSFET-kanalen, JFET-området og driftområdet i enheten oppfører seg ulikt ved varierende temperaturer. Mens MOSFET-kanalen har en negativ temperaturkoeffisient, har driftområdet og JFET-en et positivt temperaturkoeffisient. Totalt sett gir dette en positiv temperaturkoeffisient for Rdson, som balanserer strømfordelingen ved bruk av parallelle enheter.

En utfordring med CoolSiC™ MOSFET-løsningen er dens tilbøyelighet til å tilby ledning i omvendt modus via kroppsdioden. Fordi SiC-materialet har et bredt båndgap på 3,23 eV, sammenlignet med Silisiumets 1,124 eV, får kroppsdioden et relativt høyt spenningsfall på rundt 3 V. Dette kan føre til høy ledningstap. For å håndtere dette, er det nødvendig å bruke synkron retting, hvor kanalen slås på ved å påføre en positiv VGS-spenning, i stedet for at dioden leder kontinuerlig.

Utviklingen av nye halvledermaterialer, som GaN (Gallium Nitride), bringer også nye kontroll- og driftsmessige utfordringer. GaN-enheter krever en negativ gate-spenning for å fungere, noe som kan utgjøre en praktisk barriere for teknologiakseptanse. For å overvinne dette, er en ny kaskode-depleksjonsmodus-enhet (eGaN) utviklet for å sikre kompatibilitet med eksisterende kontrollsystemer, men på bekostning av en litt økt spenningsfall ved ledning.

eGaN FET-enheter mangler en parasittisk kroppsdioide, men leder strøm i omvendt retning med et større spenningsfall enn Si-baserte MOSFET-er. For å minimere spenningsfallet og maksimere effektiviteten, kreves en gate-driver som kan operere med et negativt bryternode-spenning, ned til -5 V. En konvensjonell bootstrap-strømforsyning kan også kreve en Zener-diode for å begrense overspenningen som oppstår ved tilsetning av lavspenningstilførsel og den negative spenningen på ca. -5 V.

Gate-driveren for eGaN-enheter har spesifikasjoner som krever en 5 V lavspenningsforsyning for påslag, med en maksimal grense på 6 V. Dette innebærer at gate-driveren må ha en lav-dropout-regulator (LDO) på forsyningen. Hvis hele strømforsyningen er begrenset til 5 V, bør bootstrap-dioden velges med lavest mulig spenningsfall for å sikre effektiv drift.

En annen viktig forskjell mellom CoolSiC™ MOSFET og tradisjonelle MOSFET-enheter er hvordan de håndterer dynamisk ytelse. Spennings- og strømtransienter i MOSFET-enheter avhenger av kapasitansene til enheten, men CoolSiC™ MOSFET har en karakteristisk gate-ladningskurve som skiller seg fra de vanlige enhetene. I motsetning til vanlige MOSFET-er som viser en Miller-plateau, viser CoolSiC™ MOSFET ingen klar plateau, noe som kan kreve justering av svitsjehastigheten i kretsen for å håndtere høye di/dt eller dv/dt. Dette kan skape utfordringer relatert til emballering, elektromagnetisk interferens (EMI), motorisolasjon, samt aldring og strømforbruk i motorer.

En interessant fordel med CoolSiC™ MOSFET-en er dens evne til å garantere en kortslutningstid på 2-3 µs, noe som er en unik egenskap i datasheetet til disse enhetene. Dette kan være nyttig i applikasjoner der beskyttelse mot kortslutning er viktig for pålitelig drift.

Når det gjelder pakking og strukturer i halvlederteknologi, er det et kontinuerlig arbeid med å forbedre de konvensjonelle pakkene for å tilpasse dem til de raskere, mer effektive båndgap-halvledermaterialene som SiC og GaN. En betydelig utfordring er de parasittiske induktansene som oppstår i både kretsforbindelser og pakker. Disse induktansene kan forårsake overspenning når man prøver å bytte raskt. For eksempel har Mitsubishi utviklet en NX-pakke for sine IGBT-enheter som bruker direkte pottingharpiks i stedet for silikon-gel. Denne pakken er laget for å ha en lavere termisk ekspansjonskoeffisient som er i samsvar med koppermaterialet og isolasjonen på basen. Denne pakken har imidlertid en parasittisk induktans på rundt 20 nH, som gjør den mindre egnet for SiC-enheter.

For SiC-enheter har en ny pakke blitt utviklet med et lav-induktans design som reduserer den parasittiske induktansen til bare 9 nH, som representerer en reduksjon på 47 % sammenlignet med konvensjonelle pakker. Dette muliggjør raskere svitsjing, med opptil fem ganger høyere frekvens, som er ideelt for applikasjoner som krever høy effekt og rask svitsjing.

Etter reduksjon av parasittisk induktans i pakningen kan induktansen som kommer fra kretskortdesign eller bussystemstruktur bli den begrensende faktoren for ytelsen til omformeren. Derfor er det avgjørende å fokusere på hvordan man kan optimalisere kretskortoppsettet for å minimere parasittiske induktansproblemer. Dette kan gjøres ved å plassere høyfrekvente strømsløyfer slik at de har minimalt med interaksjon, eller ved å bruke magnetiske felter som kansellerer induktans i flerlagede PCB-strukturer.

Hvordan Overmodulering og Volt-per-Hertz Kontroll Påvirker PWM Invertere i Induksjonsmaskiner

De ulike PWM-algoritmene (Pulsbreddemodulasjon) har forskjellige sekvenser i løpet av samplingsintervallet, og antallet bytteprosesser varierer. Derfor er definisjonen av byttefrekvensen ulik avhengig av metoden som benyttes. En korrekt sammenligning mellom algoritmene må ta hensyn til samme byttefrekvens, selv om denne oppnås ved forskjellige metoder. Den beste harmoniske ytelsen oppnås med algoritmen som reduserer tapet, når den opererer ved høye modulasjonsindekser. Ved lave modulasjonsindekser er det derimot den konvensjonelle SVM (Space Vector Modulation) som gir best harmonisk ytelse. Den omtrentlige terskelen for sammenligningen ligger ved en modulasjonsindeks på cirka 0.6. Mange forskere og ingeniører normaliserer strømens harmoniske til de som oppnås ved en seks-trinns operasjon på kraftsteget. Figurene 6.33 og 6.34 viser forskjellene i harmoniske når en inverter opererer med forskjellige metoder for PWM.

Operasjonen med seks pulser introduserer større lavfrekvente harmoniske. Når dette signalet normaliseres, endres monotonien i grafen. Resultatene for de mest kjente metodene basert på SVM vises i Figur 6.35. Det er viktig å merke seg at den beste harmoniske ytelsen ikke nødvendigvis betyr at systemet er helt uten forstyrrelser – harmoniske vil alltid være til stede i varierende grad.

Overmodulering i SVM kan være et nødvendig steg i mange applikasjoner. Dette skjer når modulasjonsindeksen overskrider det vanlige maksimumet for SVM, og den resulterende bølgen går fra en jevn, sirkulær bane til å danne en tangensial kontakt med den eksterne heksagonen dannet av vekselstrømsvektorene. På dette punktet slutter PWM-algoritmen å være lineær. Mange applikasjoner krever at systemet opererer med høyere spenning enn hva som er mulig med konvensjonell SVM før det når seks-trinns modusen. Operasjonen mellom disse to grensene kalles overmodulering, som også ble presentert i kapittel 5. I denne modusen vil den gjennomsnittlige romvektoren bevege seg langs en sirkel med en radius m > 0.866, der sirkelbuen ligger innenfor heksagonet, mens de resterende delene følger heksagonets sider.

Når modulasjonsindeksen når verdien m = 0.952, dannes et klart mønster på heksagonet, og ingen deler beveger seg videre inn i den sirkulære banen. For å bevege seg mot seks-trinns operasjonen defineres en ny operasjonsmodus, hvor hastigheten til den gjennomsnittlige romvektoren kontrolleres. Jo høyere modulasjonsindeks er, desto raskere vil vektoren bevege seg i midten av heksagonsidene, og desto langsommere ved hjørnene. Denne modusen går jevnt over i en seks-trinns operasjon når romvektoren er begrenset til seks diskrete posisjoner i det komplekse planet. I denne modusen er pulsen i hver samplingsintervall sammensatt av bare to aktive tilstander. Nulltilstander brukes aldri. Begge operasjonsmodusene er preget av ikke-lineære overføringskarakteristikker, som legger til harmoniske forstyrrelser som forringer systemets harmoniske ytelse.

Volt-per-Hertz kontrollen, som ble introdusert i kapittel 5.3, er et annet viktig aspekt ved PWM-teknikker. Denne metoden brukes i industrien med forskjellige antall pulser for ulike grunnfrekvenser (se Figur 6.36). I lavfrekvente applikasjoner benyttes en større frekvensforhold, mens systemet i høyfrekvente applikasjoner opererer med et mindre forhold mellom frekvenser. Når denne metoden utvides til SVM-kontroll, kan vi oppnå en kontrollert GTO-inverter med en byttefrekvens på under 960 Hz, hvor de brede pulsene kompenserer for spenningsfallet over statormotstanden.

I applikasjoner med høyere frekvenser er det å foretrekke en driftsmodus med konstant spenning for å unngå å overskride induksjonsmaskinens nominelle verdi. Spenningen holdes konstant mellom 40 og 80 Hz, og optimal SVM bruker 24 pulser. Ved lavere frekvenser benyttes PWM-metoder med konstant V1/f, der antallet pulser varierer avhengig av frekvensintervallet: 24 pulser for 20-40 Hz, 48 pulser for 10-20 Hz, 96 pulser for 5-10 Hz og 192 pulser for under 5 Hz.

Det er viktig å merke seg at når man opererer på lave frekvenser, kan det være nødvendig å justere samplingsintervallet Ts for å endre den effektive verdien av den utgående spenningen. Dette gjøres ved å øke varigheten av nulltilstandene, som påvirker den totale PWM-signalstrukturen. For høyfrekvente operasjoner er det også en viktig begrensning på spenningsnivåene, som må holdes innenfor visse verdier for å unngå overspenning og ineffektivitet i systemet.

Denne metoden gir også fordeler i bruken av mikrokontrollere og minne-oppslagstabeller, da man kan bruke de samme tidkonstantene i forskjellige lavfrekvente driftsmoduser. Det kan derfor være økonomisk og teknisk gunstig å bruke disse teknikkene i industrielle applikasjoner med varierende frekvenser og krav til effektivitet.

Hvordan visualiserer man komplekse datamønstre i både 2D og 3D med Seaborn og Plotly?
Hvordan Teknologi Former Våre Liv: En Reise mot Digital Kompetanse
Hvordan emosjonell manipulasjon påvirker valg og politiske splittelser
Hvordan Multiview Subspace Graph Convolutional Clustering Forbedrer Klynging i Høydimensjonale Data