I moderne effektomformere, spesielt de som benytter integrerte effektmoduler (IPM), spiller både switchings- og ledningstap en avgjørende rolle for total systemeffektivitet. Figur 22.29 illustrerer hvordan switching-prosesser for IGBT-enheter i en ny topologi med flere IPM-moduler bidrar til redusert tap. I denne konfigurasjonen flyttes diodeelementene ut av IPM-modulen, noe som eliminerer diode-relaterte switchingtap uten å endre ledningstapene. Resultatene i referanse [39] viser en betydelig reduksjon av total effekttap per modul, for eksempel en nedgang på minst 56 % i et system med en 1 HK (745 W) belastning, sammenlignet med konvensjonelle back-to-back-omformere.

En interessant observasjon er at den nye topologien ikke bare forbedrer effektiviteten, men også øker systemets termiske kapasitet. Dette gjør at en 2 kW-motor kan drives under lignende termiske forhold som en 1 HK-motor med en tradisjonell IPM-basert løsning. Samtidig oppnås en imponerende effekt-tetthet: hele krafttrinnet, inklusive kjøling og filtre, har et volum på bare 0,49 liter for 2 kW levert effekt, noe som gir 4,1 kW per liter. Dette matcher eller overgår industrimålene for denne klassen av omformere, som typisk ligger rundt 4 kW/liter.

Når det gjelder harmonisk analyse, viser bruken av MATLAB-basert multimillion FFT-metoder nye muligheter for å forstå og kontrollere støy og forvrengning i AC/AC-omformere. Konvensjonelle PWM-kontroller genererer harmoniske komponenter både ved inngangs- og utgangssiden, med to uavhengige frekvenser: grunnfrekvensen i modulasjonssignalet og bærende/switching-frekvensen. Kompleksiteten øker ytterligere når inngangs- og utgangsfrekvenser ikke er heltallige multipler av hverandre, eller når bærende frekvens ikke er et rasjonalt forhold til disse.

Tidligere var harmonisk analyse basert på doble Fourier-serier i to variable, eller utvidelser til flere frekvenser, men disse metodene var ofte teoretisk tunge og lite praktiske for ingeniører. Med dagens datakraft – flerkjernede prosessorer, høy minnekapasitet og rask klokkefrekvens – er det mulig å utføre sanntids simuleringer og harmonisk analyse med store datamengder. Dette muliggjør mer direkte og praktisk bruk av diskret Fourier-transformasjon (DFT) på måledata eller simuleringsresultater som ikke nødvendigvis er periodiske eller matematiske funksjoner.

Ved sampling av signaler innen et gitt tidsvindu, som ofte ikke samsvarer med signalets periodisitet, estimeres harmoniske komponenter gjennom DFT. Metoden beregner koeffisienter for både sinus- og cosinus-komponenter, som til sammen gir både amplitude og fase for hver harmoniske. Optimalisering av utvalget av samples, for eksempel ved å velge antall som er multiplum av 6, kan utnytte symmetrier i nettet for å forbedre ytelsen.

Det er viktig å forstå at moderne harmonisk analyse i praksis ikke bare er et rent matematisk problem, men også et spørsmål om tilgjengelig regnekraft, nøyaktighet i målinger og samspillet mellom flere frekvenser og komponenter i kraftsystemet. Effektiv reduksjon av harmoniske og tap i omformere krever derfor både avansert topologidesign og kraftige analyseverktøy.

Enda viktigere er det at integrering av disse teknologiene må vurderes i lys av praktiske operasjonelle forhold: termisk kapasitet, fysisk plass, og kompatibilitet med varierende last- og nettforhold. Forståelsen av både fysiske tap og frekvenskomponentenes dynamikk er derfor essensiell for å oppnå optimal systemytelse i moderne effektomformere.

Hvordan beskytter man kraftige halvlederkomponenter og minimerer effekttap i moderne kraftelektronikk?

Beskyttelse av kraftige halvlederkomponenter som IGBT-er og MOSFET-er er essensielt i enhver pålitelig og effektiv kraftomformer. Enhver praktisk konstruksjon må ta utgangspunkt i databladet til de aktuelle enhetene, hvor grenser for strøm, spenning og temperatur er angitt. Disse grensene er ikke valgfrie – de definerer de fysiske begrensningene for sikker drift, og det er innenfor disse grensene at designeren må bevege seg.

Strøm gjennom kollektor må holdes under en viss terskel for å forhindre latch-up. Maksimal gate-emitterspenning bestemmes av gateoksidets gjennomslagsspenning, og maksimal kollektor-emitterspenning for en IGBT bestemmes av gjennomslagsspenningen til den interne PNP-transistoren. Enheten tåler kortslutningsstrømmer på fire til ti ganger nominell verdi, men bare i svært korte tidsrom – ofte maksimalt 10 μs. I denne tiden må et beskyttelseskretsløp kunne detektere tilstanden og deaktivere gate-signalet.

I praksis er svitsjekarakteristikken til IGBT- eller MOSFET-enheter sjelden ideell. Den påvirkes av parasittiske komponenter i kretsen, spesielt induktanser og kapasiteter i kollektor–emitter-stien, og også av selve innkapslingen, hvor typiske parasittiske induktanser ligger mellom 10 og 20 nH. Disse parasittene skaper reelle svitsjeprofiler som må ligge innenfor komponentens "Safe Operating Area" (SOA) for å unngå termisk eller elektrisk ødeleggelse.

Tap i kraftomformere skyldes i hovedsak to fenomener: lede- og svitsjetap. For å anslå disse tapene finnes det to tilnærminger – analytisk beregning og empiriske målinger.

Den analytiske metoden baserer seg på modellering av strøm- og spenningsbølger ved på- og avslåing av komponenten. Svitsjetap ved påslag kan estimeres ved å integrere området under VI-kurven, hvor strøm- og spenningsgradientene (di/dt og dv/dt) spiller en avgjørende rolle. Ved avslåing tilkommer også hale-strømmen, særlig for IGBT-er, som ikke oppstår i samme grad for MOSFET-er.

Formlene inkluderer elementer som gjenvinningsstrøm fra tilkoblede dioder, parasittisk induktans og gate-motstand. Gate-motstanden har en direkte effekt på svitsjehastigheten og dermed også på overspenninger og tap. På grunn av denne følsomheten for gatekontroll er aktiv gate-styring et område med økende relevans.

I den empiriske metoden benyttes eksperimentelle målinger av effekttap under gitte forhold, og resultatene interpoleres for faktisk bruk. Dette er spesielt nyttig i modulære enheter som intelligente kraftmoduler (IPM), hvor individuelle avvik mellom komponentene gjør analytisk beregning unøyaktig. Empiriske modeller basert på slike målinger kan gi presise tapstall for hver svitsj i kretsen, og tillater dermed optimalisering på systemnivå.

Et eksempel viser at en 20 A IPM-modul har omtrent 2,3 W tap per svitsj og 14,1 W totalt ved drift under normale forhold, med termisk kontroll for å holde overgangstemperaturen under 125 °C.

Historisk sett har komponentvalg vært styrt av en forenklet beregningsfaktor, kjent som "figure of merit" (FOM), definert som produktet av drain-source-motstand og gate-ladning (Rds(on)·Qg). Denne faktoren var nyttig så lenge det var en tydelig avveining mellom lav lede-motstand og lav gate-ladning – to parametre som teknologisk ofte er i konflikt. Men i moderne komponenter har begge disse parametrene blitt optimalisert til et nivå hvor forskjellene mellom produkter skyldes andre faktorer, som robusthet ved kortslutning, termisk stabilitet og elektromagnetisk ytelse.

Aktiv gate-kontroll er blitt en naturlig utvidelse av den passive gate-motstanden, som i seg selv er et kompromiss mellom rask svitsjing og lavt oversving. Gjennom aktiv kontroll kan man variere gate-motstanden dynamisk, og dermed tilpasse svitsjeprofilen i sanntid til last og driftsbetingelser. Dette gir potensial for både økt effektivitet og bedre beskyttelse.

Spesielt i seriekoblinger av IGBT-er – som brukes i mellomspenningsanvendelser – blir aktiv gate-kontroll kritisk. Problemet med ulik spenningsfordeling mellom seriekoblede enheter skyldes blant annet variasjon i tidsforsinkelser i gate-drivere, små produksjonsavvik mellom enheter og ulike diode-egenskaper. Tradisjonelt har dette blitt håndtert med individuelle snubberkretser per komponent, men dette øker både volum og kompleksitet. Aktiv snubbing, som kombinerer gatekontroll med aktivt dempende tiltak, er derfor en moderne løsning med høy relevans.

I tillegg til presis kontroll og effektivitet gir aktiv gate-styring også mulighet for diagnostikk og sanntidsdata, noe som legger grunnlaget for mer autonome og intelligente kraftelektroniske systemer.

For å sikre driftssikkerhet, minimalisere effekttap og forlenge levetiden til kraftkomponenter, må både design og implementering ta hensyn til ikke-lineære effekter, parasittiske elementer, termiske begrensninger og kretsens elektromagnetiske karakteristikk. Det er ikke tilstrekkelig å følge databladet – kretsens dynamiske oppførsel, samspill mellom komponenter, og krav til EMC og sikkerhet må alle inngå som integrerte deler av designprosessen.

Hvordan kan man redusere koblingstap i trefase-vekselrettere gjennom diskontinuerlig PWM?

Optimalisering av koblingsstrategier i trefase-vekselrettere er essensielt for å redusere både tap og termisk belastning. Innenfor denne rammen har diskontinuerlig pulsbredde-modulasjon (PWM) vist seg som en metode med betydelige fordeler, særlig ved høye modulasjonsindekser. Et sentralt prinsipp i denne tilnærmingen er utnyttelsen av systemets iboende symmetrier for å oppnå perioder på 60° hvor ingen brytere aktiveres – og dermed halveres koblingstapet i teorien.

Ved å definere referansefunksjonen i seks segmenter på 60° hver, blir det mulig å holde en av inverterbeina uendret over hver av disse periodene. Dette gir grunnlag for en trefasestrøm med sinusformet spenning, til tross for redusert bryteraktivitet. Den opprinnelige implementasjonen brukte diskontinuerlige nullsekvenskomponenter for å utvide lineariteten for modulasjonsindekser over 0,785 og samtidig redusere koblingstap. Senere har flere andre varianter blitt foreslått, med ulike former og funksjoner for nullsekvenskomponenten.

Det som skiller disse metodene fra hverandre, er måten 60°-intervallet uten switching velges på. For nettbaserte applikasjoner, hvor strøm og spenning er i fase, er det fordelaktig å plassere dette intervallet rundt spennings- og strømtoppen. For motordrift, hvor strømmen vanligvis ligger etter spenningen i fase, bør intervallet legges etter spenningsmaksimum. Slike justeringer tilpasser modulasjonen til karakteristikken i hver enkelt applikasjon og minimerer samlet energitap. Ubalansert fordeling av tap mellom høysides- og lavsides-transistorer fører derimot til termisk asymmetri og lavere pålitelighet, noe som gjør at enkelte metoder forkastes i praksis.

Et viktig konsept er generalisert PWM-modulasjon der nullsekvensen injiseres for å skape metning i modulatoren og dermed unngå switching innenfor ønskede intervaller. Den nødvendige nullsekvensen beregnes som forskjellen mellom sinusformede referanser og bærebølgens toppverdi, hvilket i praksis bestemmer hvor mye som må legges til for å oppnå 60° metningsområde. Her blir vinkelen φ sentral, og den begrenses til området 0°–60°. Takket være den trefasede symmetrien kan man veksle mellom metning ved maksimal og minimal referanse for å sikre like tap i bryterne.

Til tross for de klare teoretiske fordelene, har ikke diskontinuerlig PWM fått bred anvendelse i analoge systemer. Dette skyldes primært den økte kompleksiteten og kostnaden knyttet til implementeringen i analoge kontrollkretser. Særlig ved lave modulasjonsindekser viser teknikken svakheter, som begrenset pulsbredde og ustabilitet i overgangen mellom ulike modulasjonssegmenter. Derfor benyttes slike metoder i praksis kun ved høye modulasjonsindekser, mens kontinuerlig PWM foretrekkes i lavområdet.

Innføringen av digital kontrollteknologi har imidlertid revitalisert potensialet for slike teknikker. Den underliggende forståelsen av diskontinuerlige referanser har lagt grunnlaget for utviklingen av mer avanserte romvektorbaserte PWM-metoder med redusert tap. Disse metodene, beskrevet i detalj i videre kapitler, bygger på digital implementering og muliggjør utvidet lineært område i tillegg til redusert switchingaktivitet – en kombinasjon som i dag benyttes kommersielt i industriell praksis.

Når det gjelder motorstyring ved hjelp av konstant volt/hertz (V/Hz)-forhold, er bruken av PWM fremdeles sentral. Denne metoden, som sikter mot å holde fluksen i maskinen konstant, benytter en referansespenning som varierer i takt med frekvensen. I lavfrekvensområdet må spenningen økes for å kompensere for spenningsfall over statorens resistive komponenter, mens det ved høye frekvenser innføres felt-svekkelse for å begrense spenningen.

Det er viktig å merke seg forskjellen mellom denne tilnærmingen og moderne vektorstyring. Mens V/Hz-baserte systemer opererer med fasemessige spenningsreferanser over en hel periode, fokuserer vektorstyring på øyeblikkelige strømreferanser og benytter en digital samplingsstrategi. Dette gjør at PWM-generatoren i V/Hz-kontroll fortsatt drar nytte av bærebølgebasert modulasjon, spesielt når systemet opererer med lav samplingfrekvens.

Forholdet mellom bærebølgefrekvens og fundamentalfrekvens er et annet avgjørende element. Ved høye forholdstall er synkronisering mellom bærebølge og referansesignal mindre viktig, men ved lave forhold blir synkronisering essensiell. I slike tilfeller må forholdet være et multiplum av seks for å opprettholde systemets symmetri og unngå pulsforskyvning som kan føre til harmoniske forvrengninger.

I praksis er det vanskelig å benytte én enkelt PWM-strategi over hele frekvensområdet på grunn av termiske og effektivitetsmessige begrensninger. Derfor anvendes varierende frekvensforhold i ulike intervaller av den fundamentale frekvensen, enten for å optimalisere switchingfrekvensen eller for å redusere harmoniske strømkomponenter i samsvar med filterkrav. Dette gir grunnlag for skreddersydde modulasjonsstrategier avhengig av belastningstype og driftsforhold.

Viktige tilleggsmomenter for leseren inkluderer betydningen av termisk balanse mellom brytere i invertertopologien, og hvordan selv små asymmetrier i koblingsstrategien kan føre til akkumulert varmebelastning og redusert levetid. Videre bør leseren forstå hvordan valg av modulasjonsmetode påvirker elektromagnetisk interferens (EMI), filterdimensjonering og systemets dynamiske respons. En dypere forståelse av dette samspillet mellom switchingstrategi, termikk og systemarkitektur er avgjørende for optimal design av effektkonverterende systemer.

Hvordan mestre lagdeling og blanding i fargeblyant og pastell
Hva er de praktiske forskjellene mellom Heap Sort og Radix Sort – og når bør man bruke dem?
Hva gjør en sitronterte uimotståelig – og hvorfor fungerer den alltid?
Hvordan IoT revolusjonerer helsevesenet: Muligheter og utfordringer