Hvordan varianter av DC-spenning påvirker ytelsen til tre-fase vekselrettere og deres kompensering

I strømforsyningsteknologi, spesielt når man jobber med vekselrettere for trefasemotorer, er håndtering av spenningsvariasjoner i DC-bussen en utfordring som krever nøye analyse og kompensering. De elektriske systemene som bruker tre-fase invertere, lider ofte av variasjoner i DC-bussens spenning, noe som fører til harmoniske forstyrrelser og ujevnhet i spenningene på utgangsfasene. Denne problemstillingen er spesielt relevant for høyytelsessystemer som brukes i elektriske og hybride kjøretøyer, samt industrielle applikasjoner som krever presis kontroll av strøm og spenning.

I et tradisjonelt seksbryter inverter-system påvirkes alle faseutgangene likt av variasjoner i DC-bussens spenning, men dette mønsteret endres når man går til mer komplekse inverterkonfigurasjoner, som de med komponentminimerte tre-fase vekselrettere. I slike systemer varierer effekten av DC-bussens spenningsfluktuasjoner mellom de enkelte fasene, noe som kan føre til ubalanse og dårligere ytelse hvis ikke riktig kompensering er implementert. Dette krever avanserte metoder for å håndtere disse variasjonene og minimere deres innvirkning på systemets samlede effektivitet.

For å korrigere for spenningsvariasjonene kan en feed-forward-kompensasjonsteknikk benyttes. Denne metoden benytter en justering av modulasjonsstrategiene i sanntid for å motvirke de uønskede effektene som oppstår som følge av DC-bussens spenningsripple. Modulasjonsstrukturen kan derfor justeres dynamisk for å kompensere for dette, forutsatt at modulatoren ikke blir mettet eller går inn i overmodulasjon. Kompensasjonseffektiviteten avhenger sterkt av hvor presist feed-forward-metoden kan justere på de interne parametrene til vekselretteren.

En viktig forutsetning for vellykket kompensering er at tidskonstantene som beregnes i systemet forblir positive under alle driftsforhold. Dette hindrer at systemet går over i en tilstand av overmodulasjon, som ellers kunne føre til ytterligere forstyrrelser i spenningen. En annen viktig faktor er størrelsen på ripple, eller variasjonen i spenningen på DC-bussen, som må holdes innenfor visse grenser for at feed-forward-metoden skal være effektiv. Dette kan uttrykkes ved normalisering av ripple, og grafisk representasjon av disse begrensningene definerer det maksimale operasjonsområdet for feed-forward-metoden.

I tillegg til feed-forward-kompensasjon, finnes det flere muligheter for å forbedre effekten av spenningskompensasjonen. En av de mest effektive tilnærmingene kan være å justere algoritmene for Space Vector Modulation (SVM), som kan gi bedre håndtering av både faseforskyvning og harmonisk innhold i de genererte spenningene. Ved å bruke et optimalisert referansesystem for vinkelen på de aktive vektorene, kan man oppnå høyere nøyaktighet og redusere effektene av uønskede harmoniske frekvenser.

Når det gjelder sammensetningen av fasenivåene og hvordan spenningsvariasjonene påvirker dem, er det viktig å merke seg at hver faseutgang ikke nødvendigvis vil oppleve ripple på samme måte. Denne variasjonen er spesielt merkbar i invertere med flere ben, som de som brukes i høyeffektssystemer for elektriske og hybride kjøretøyer. Her kan de enkelte fasene kreve forskjellige korreksjoner avhengig av hvordan DC-spenningen varierer i tid.

For å forstå dette konseptet bedre, kan vi analysere de individuelle spenningene på kondensatorene i inverteren. I systemer hvor flere DC-kondensatorer er involvert, kan spenningsdifferansene mellom disse føre til ytterligere ujevnheter i systemet. Dette kan imøtekommes ved å bruke en mer sofistikert moduleringsteknikk, som tar hensyn til disse individuelle spenningsforskjellene og tilpasser seg kontinuerlig.

Hvordan fungerer direkte AC/AC-konvertering i moderne effektomformere?

Direkte AC/AC-konvertering representerer et sentralt paradigme innen moderne kraftelektronikk, spesielt med utviklingen av matriseomformere (matrix converters) og strøm-kildebaserte topologier. I motsetning til konvensjonelle AC/DC/AC-strukturer, eliminerer disse løsningene behovet for mellomliggende energilagring i form av elektrolyttkondensatorer, noe som gir fordeler med hensyn til kompakt design, høy effekttetthet og forlenget levetid under termisk belastning.

Konseptet med matriseomformeren er bygget på ideen om direkte veksling mellom inngangs- og utgangsfaser ved hjelp av en matrise av halvledersvitsjer. Disse svitsjene, ofte IGBT-er eller annen type kontrollerte brytere, må styres med høy presisjon for å sikre korrekt kommutering og unngå kortslutninger mellom inngangsfasene. Den mest grunnleggende topologien består av ni brytere som kobler hver inngangsfase til hver utgangsfase, noe som gir en teoretisk fleksibilitet til å generere en hvilken som helst ønsket frekvens og faseforhold innen rammen av inngangens spenningsprofil.

Et kritisk aspekt ved styring av disse systemene er implementeringen av pulsbredde-modulasjon (PWM), og spesielt romvektormodulering (Space Vector Modulation – SVM). Denne teknikken tillater utnyttelse av hele inngangsspenningsområdet og gir i tillegg mulighet for styring av effektfaktor, harmonisk innhold og termisk belastning på svitsjeelementene. En korrekt implementert SVM-algoritme sørger for en enhetlig utnyttelse av tilgjengelige vektorer i det komplekse spenningsplanet, slik at harmonisk forvrengning minimeres og utgangskvaliteten maksimeres.

Kommuteringsstrategier for matriseomformere er en egen disiplin, spesielt på grunn av utfordringer knyttet til tvungen kommutering ved bruk av unidireksjonale svitsjer. Det er utviklet en rekke algoritmer, både sinusformede og romvektorbaserte, for å sikre at svitsjeoperasjoner skjer uten risiko for spenningsspiker, strømbrudd eller fasekortslutning. Dyadiske kommuteringsmetoder, der kun to brytere omkobles samtidig, har vist seg å være effektive og pålitelige under industrielle driftsforhold.

Strømkildebaserte AC/AC-konvertere representerer et alternativt designparadigme, hvor en DC-lik strøm etableres og brukes som mellomledd for spenningsgenerering. Disse systemene tilbyr større robusthet under tunge lastvariasjoner og kan i visse konfigurasjoner kombineres med konvensjonelle strømomformermoduler. Slike modulære tilnærminger, som sett i de senere arbeidene av Kazerani, Neacsu og andre, muliggjør fleksibel arkitektur med høy grad av redundans og lavt harmonisk innhold.

Multinivå-konsepter, inkludert duale to-nivå invertere, har også blitt utforsket i sammenheng med AC/AC-omforming. Disse topologiene muliggjør høyere utgangsspenningsoppløsning uten å øke svitsjefrekvensen, noe som er essensielt for lav-induktans motorapplikasjoner som krever høy dynamisk respons. Slike arkitekturer er særlig egnet for integrasjon i applikasjoner med begrenset plass, som elektriske drivsystemer for fly, kjøretøy eller mikrogrid-arkitekturer.

En sentral utfordring innen direkte AC/AC-konvertering er håndtering av reaktiv energi og korttidslagring uten bruk av store passive komponenter. Clamping-teknikker, aktiv energitilbakekobling og topologiske metoder for resonant energisirkulasjon er viktige for å opprettholde systemets stabilitet og effektivitet. Det pågår fortsatt forskning på å komb

Hva er betydningen av monolitiske bidireksjonale brytere i kraftomformere?

Utviklingen av halvledere basert på vidbånds-gap-materialer som SiC og GaN har imidlertid åpnet døren for en ny generasjon av monolitiske brytere. Denne teknologien tillater at både pluss- og minus-spenning kan blokkeres i én felles driftssone, noe som gir mulighet for enklere og mer kompakte løsninger. Et slikt MBDS, som illustrert i figur 3.7, har to separate gatekretser, som gjør at bryteren kan håndtere begge polariteter samtidig, noe som gir en mer effektiv og kostnadseffektiv løsning.

Forskning på disse monolitiske bryterne har vist at de kan ha symmetriske strøm-spennings-karakteristikker i både første og tredje kvadrant, og for en enhet på 1400V er drain-source-motstanden mindre enn 50 mΩ. Dette representerer et betydelig forbedret ytelsesnivå sammenlignet med tradisjonelle løsninger. Tross at teknologien fortsatt er i en tidlig fase, har den potensial til å revolusjonere kraftomformerteknologi, spesielt når det gjelder høyeffektive strømkretser og modulering.

En av de viktigste fordelene med monolitiske bidireksjonale brytere er deres evne til å eliminere behovet for upålitelige og kortvarige elektrolyttkondensatorer, som er vanlige i dagens kretser. Videre kan disse enhetene redusere antallet brytere som er nødvendige i en gitt krets, noe som forenkler designet og reduserer både plassbehov og kostnader. Forbedret elektromagnetisk interferens (EMI)-ytelse og høyere energieffektivitet er også viktige fordeler ved bruken av disse bryterne.

En annen betydelig fordel er økt effekt-tetthet, som kan føre til mer kompakte løsninger med lavere behov for kjøling. Dette gjør at enhetene kan operere ved høyere temperaturer uten at systemet blir overbelastet, og derfor reduseres størrelsen på kjølesystemene som trengs. Enhetene kan også operere med en 30-40% mindre chip-størrelse sammenlignet med tradisjonelle Si MOSFETs, og samtidig opprettholde samme effekt-tetthet.

Selv om fordelene ved vidbånds-gap halvledere er godt dokumentert, er det fortsatt utfordringer knyttet til deres industrielle implementering. Overgangen til disse enhetene kan være kompleks, da det innebærer store endringer i eksisterende produksjonsprosesser og infrastruktur. Spesielt i høyhastighets- og høyfrekvensapplikasjoner er parasittiske effekter, som for eksempel induktans og kapasitans, annerledes enn i tradisjonelle løsninger, og disse må tas i betraktning for å unngå ineffektivitet.

Bruken av disse nye halvledermaterialene i kraftomformere har dermed tosidige implikasjoner: på den ene siden gir de en betydelig økning i effektivitet og reduserte produksjonskostnader, men på den andre siden krever de en helt ny tilnærming til design og optimalisering av kraftsystemer. Derfor vil den industrielle aksepten av vidbånds-gap enheter være avhengig av evnen til å utvikle nye, effektive modulasjonsstrategier som kan utnytte fordelene ved disse enhetene i praksis.

Videre forskning vil fokusere på å utvikle nye modulasjonsteknikker og optimalisering av flere mål i kraftomformere, som redusert svitsjetap, lavere elektromagnetisk stråling og forbedret systemytelse. Denne teknologien kan også bidra til en økt implementering av høyytelses kraftomformere i kritiske applikasjoner, som for eksempel i elektrifisering av kjøretøy og andre industrielle prosesser.

Hvordan termisk kapasitet og pålitelighet påvirker levetiden til elektroniske komponenter

Forpakningsmaterialer og strukturer er alltid designet for å minimere termisk motstand, ettersom effektap er overført gjennomsnittlig. På grunn av dette er den termiske tidskonstanten og enhetens evne til å håndtere effekttransienter begrenset. Det er imidlertid bevist at effektsemiconductorenheter kan tåle store overbelastningskapasiteter som overstiger deres gjennomsnittlige effektratinger. Når man fullfører Figur 9.1 med en transient modell, oppnås den ekvivalente kretsen som vist i Figur 9.5, og temperaturutviklingen i rommet ved påføring av en pulsstrøm vises også.

Transient termiske modeller er svært nyttige for termisk analyse av effektekonvertere som slås på høye frekvenser med variabelt arbeidssyklus. Kjølesystemet bør tåle pulser av effekt med betydelig termisk dynamikk. For eksempel kan en trefaset effektomformer som intermittenter leverer strøm til en motorkjøler, ha et konstant tap på 240 W under drift. Kjølingen med et enkelt kobberplate gir en steady-state temperaturøkning på ΔT = 32 K, som demonstrert i Figur 9.6.

For en konstant feilrate, kan den relaterte pålitelighetsfunksjonen uttrykkes som:

I tekniske systemer som krever høy pålitelighet, som for eksempel halvlederkomponenter, ligger feilraten vanligvis mellom 10 og 100 FIT (1 FIT = $10^{ -9}$/time). Gjennomsnittlig tid mellom feil (MTBF) er den forventede tiden mellom påfølgende feil i et system, og kan beregnes som:

Levetiden til en elektronisk komponent er definert som den tiden det tar før de elektriske parameterne driftet ut av spesifikasjoner på grunn av slitasje. Denne prosessen kan illustreres ved "badekar-kurven" for levetiden til kraft elektronisk utstyr. Feil som skjer på grunn av feil bruk eller tilfeldige faktorer kan føre til tilfeldige feil, som ikke nødvendigvis reflekterer komponentens naturlige svikt.

Reliabilitet er et statistisk mål, og data kan samles fra eksperimentelle tester eller akselererte syklustester for temperatur og effekt. Pålitelighet har blitt en høy prioritet i utviklingen av kraft elektronisk utstyr. Når teknologien i utstyret er forbedret, blir studier av pålitelighet en sentral del av forskningen. Studier på ulike anvendelsesområder, som for integrerte kretser, energidistribusjonssystemer, vindenergi, solenergi og høyeffektkonverterere, har ført til at pålitelighet er et dynamisk og utviklende felt innen kraft elektronikk.

For å forbedre levetiden og påliteligheten til enheter, blir det gjort tiltak i alle faser av en enhets livssyklus:

• Under produksjonsprosessen legges det stor vekt på kvalitetssikring. Statistisk prosesskontroll (SPC) brukes til å overvåke og kontrollere produksjonsprosessen, og sikre at systemet opererer på sitt høyeste potensial for å produsere pålitelige enheter.

• Under drift overvåkes miljøforholdene nøye, og kontrollsystemet tilpasses dynamisk etter de ytre faktorene. Avanserte kontrollsystemer utvikles for å motstå et bredt spekter av miljøforhold og usikkerhetsparametere. Et sentralt verktøy for dette er H-infinity loop-shaping, som minimerer systemets følsomhet over sitt frekvensspektrum og sikrer at systemet ikke avviker vesentlig når forstyrrelser inntreffer.

• I lys av systemets kompleksitet og feilbegrensninger blir ekspertssystemer brukt. Et pålitelighetssystem bør inneholde en feilhåndteringsmekanisme som kan håndtere spesielle situasjoner eller tilfeldige feil og optimalisere drift for å redusere risiko.

Termisk styring og pålitelighet er uatskillelig forbundet i moderne elektriske systemer, og det er avgjørende å ta hensyn til disse faktorene for å oppnå optimal ytelse og levetid. Redundans og pålitelighetsmodeller er ofte nødvendige for å sikre systemets pålitelighet og unngå alvorlige konsekvenser av uventede feil.