Hvordan utviklingen av kraftige halvlederkomponenter påvirker industriens fremtid

For mange studenter er det ikke alltid lett å forstå forbindelsene mellom de nylig utgitte komponentene og hvilken rolle disse endringene spiller. Derfor presenteres en kort markedsundersøkelse her, med mål om å forklare hvorfor visse prestasjonsindekser for kraftige halvlederkomponenter har blitt utviklet. Det er også viktig å forstå de spesifikke forholdene som eksisterer innen halvlederindustrien. Ettersom produksjonen er basert på store kapitalutstyr, skjer teknologisk utvikling på en syklisk måte.

Kraftige halvlederkomponenter er hjertet i mange moderne industrielle og forbrukerbaserte sluttbrukerapplikasjoner og kommer i forskjellige størrelser og spesifikasjoner. Bruksområdene spenner fra lav-effekts forsyninger på titalls watt til lokomotiver på 4 MW eller stålruller på 10 MW. Den globale markedet for diskrete komponenter og moduler for kraftige halvledere ble i 2023 verdsatt til 29,45 milliarder dollar, og forventes å nå 47,65 milliarder dollar innen 2032, med en årlig vekst på 6,2 % i prognoseperioden 2024–2032.

En viktig drivkraft bak denne veksten er etterspørselen etter isolerte gate-bipolare transistorer (IGBT-er), som har stått for nesten all vekst. Denne etterspørselen er drevet av nye produkter for husholdningsapparater som romklimaanlegg og vaskemaskiner, spesielt rettet mot asiatiske markeder. For boken som her presenteres er de mest relevante komponentene metallo-oksid halvleder-felt effekt transistorer (MOSFET-er), IGBT-er og moderne varianter av tyristorer (silisium-kontrollerte likerettere eller SCR-er). De siste 30 årene har vi vært vitne til en spektakulær forbedring innen både teknologi og ytelse.

Kraftige MOSFET-er ble introdusert tidlig på 1980-tallet med startparametere på 3–5 A for drain-strøm, opp til 400 V sammenbrudds-spenning, og en avslagstid på 1,2 ms. I 2024 er det et bredt spekter av MOSFET-er på markedet, fra høyeffekts MOSFET-er for 4500 V til høystrøms MOSFET-er for 660 A. MOSFET-er er typisk N-kanal enheter og brukes særlig i applikasjoner som strømnett og motordrevne systemer med 600 V og 1200 V spesifikasjoner. Teknologiske fremskritt inkluderer den nyeste serien på 600 V CoolMOS™ 8 SJ MOSFET-er fra Infineon, som tilbyr en av de høyeste ytelsene for Si-transistorer.

I 2024 ser vi fortsatt stor vekst i etterspørselen etter IGBT-er, og det er et marked i betydelig ekspansjon, både innen inverterteknologi for energikontroll og spesifikke applikasjoner i for eksempel bilindustrien, luftfart og husholdningsapparater. Spesielt er hybrid-elektriske kjøretøyer (HEV) en viktig drivkraft i markedet for høyspennings kraftkomponenter. Prognosene viser at IGBT-markedet vil vokse fra 8,08 milliarder dollar i 2022 til 15,48 milliarder dollar innen 2028, med en årlig vekst på 11,33 %.

Det er også viktig å merke seg at et spesialsegment innen kraftsemiconductorer handler om integrerte kretser for effektstyring og motorstyring. Dette markedet har vært svært dynamisk, med store investeringer i forskning og utvikling de siste årene.

Når man vurderer dagens utvikling av kraftige halvlederkomponenter, er det nødvendig å se på både den teknologiske fremgangen som har blitt gjort og hvordan denne utviklingen har formet og vil forme fremtidens applikasjoner. Etterspørselen etter høyfrekvente kraftkomponenter, som for eksempel enheter som kan håndtere 1–10 kW med en vekslingsfrekvens på 100 kHz, er et aktuelt tema for forskning og utvikling. Det er interessant å merke seg at markedet i stor grad har blitt delt mellom IT- og forbrukerprodukter (33,9 %), bilindustrien (12,5 %), industrielle applikasjoner (23,8 %) og forbrukerapparater (29,8 %). Det er spesielt de siste to kategoriene som er mest relevante for bokens tema.

For å forstå potensialet til disse komponentene er det også viktig å kjenne til deres beskyttelse og kontrollmekanismer, da disse dekker langt flere applikasjoner enn de kraftige enhetene som brukes i multi-kW applikasjoner. De siste tiårene har utviklingen av høyspenningskomponenter drevet betydelig innovasjon og forbedring, og nye markeder for energikontroll og kjøretøyelektronikk er i ferd med å etablere seg som sentrale faktorer for videre vekst.

Hvordan fungerer optimal Gbit Flash-minnebasert PWM-invertering i trefasesystemer?

Første implementering av PWM-kontrollalgoritmen på Flash-minne har vist en reduksjon i strømforvrengning (harmoniske) på over 40 % ved høye modulasjonsindekser. Dette er et betydelig steg mot forbedret strøm- og effektkvalitet, som er essensielt i mange kraftsystemer. Videre, ved å kombinere optimalisering av både harmonisk reduksjon og systemeffektivitet, kan man oppnå forbedringer uten merkbare økninger i kostnader eller endringer i driftsbetingelser sammenlignet med konvensjonelle PWM-metoder.

Metoden bygger på en nedbrytning av effekttap i tre komponenter, noe som muliggjør en dynamisk justering av PWM-frekvensen. Ved lave modulasjonsindekser reduseres PWM-frekvensen for å minimere tap, mens ved høye modulasjonsindekser utføres en detaljert analyse av fluksfeilkomponentene for å redusere både fluksripple og strømforvrengninger. Denne balanseringen gir et bredt operasjonsområde med optimal ytelse, som både sikrer effektiv drift og bedre strømkvalitet.

I tillegg har termisk og pålitelighetsanalyse av trefaseomformere, styrt med tradisjonell sentrert SVM (Space Vector Modulation) sammenlignet med denne nye Flash-minnebaserte metoden, vist at den nye metoden kan forbedre varmehåndtering og øke systemets levetid. Slike analyser er avgjørende for å forstå hvordan nye PWM-algoritmer påvirker ikke bare elektrisk ytelse, men også den mekaniske og termiske robustheten i kraftomformere.

Selv om mange av de teoretiske aspektene ved PWM og inverterteknologi har vært kjent i flere tiår, gir Flash-minnebasert implementering et nytt perspektiv. Denne teknologien kombinerer moderne digital lagring med kraftelektronikk, noe som muliggjør sofistikerte kontrollalgoritmer og optimering på et nivå som tidligere var utilgjengelig. Det gir også rom for fremtidig integrasjon av avansert signalbehandling og adaptiv kontroll, som kan forbedre ytelsen ytterligere under varierende driftsforhold.

Det er viktig å forstå at valget av effektkomponenter i en trefaseinverter må gjøres med tanke på systemets totale belastning, kjøling og mekaniske stress. En optimal kombinasjon av disse faktorene sammen med avansert PWM-kontroll kan drastisk øke både effektiviteten og påliteligheten i kraftomformeren. Effekten av PWM-frekvens på komponentenes levetid og systemets termiske egenskaper må derfor alltid vurderes nøye.

Hvordan bestemme og implementere prøvetakingsfrekvenser i lukkede sløyfer for høyspenningsmålere og kontrollsystemer

I kontrollsystemer for høyspenningsmålere og omformer-systemer er valg av prøvetakingsfrekvens en kritisk faktor for systemets ytelse. Prøvetaking på for lave frekvenser kan føre til ineffektive sporingsegenskaper i systemet, noe som kan påvirke reaksjonstiden og stabiliteten. Et system som har krav om å spore et signal med en spesifisert båndbredde, bør ha en prøvetakingsfrekvens som er minst dobbelt så høy som den høyeste frekvensen som finnes i systemets båndbredde.

For et kontrollsystem som er designet for å håndtere høye spenninger, er det viktig å vurdere den laveste prøvetakingsfrekvensen som samsvarer med de tidskonstantene som er forbundet med kretsen eller belastningen som påvirker ytelsen. Denne begrensningen kan forstås som systemets evne til å følge signalet nøyaktig, også kjent som systemets sporingseffektivitet. Samplingssetningen krever at prøvetaking skjer minst dobbelt så raskt som den høyeste frekvensen som finnes i signalet, men dette er ikke alltid tilstrekkelig for å sikre ønsket respons i det lukkede sløyfesystemet.

Høyspenningsmåling i mellom- og høystrømsomformere er et annet viktig aspekt. Målingen av høye spenninger, som kan være i området 100–1000 volt, skjer vanligvis gjennom spenningsreduksjon via en transformator eller en impedansdeler. Impedansdelere kan være resistive eller kapasitive, der de fleste omformere benytter resistive delere på grunn av deres pålitelighet og tilgjengelighet som ferdige komponenter. I mange tilfeller benyttes keramiske motstander laget av alumina, som er kjent for sin høy ytelse og stabilitet, med temperaturkoeffisienter under 25-75 ppm/°C.

Etter resistiv deling er det nødvendig med et isolert kretsløp på grunn av de forskjellige jordforbindelsene mellom effekttrinnet og kontrollsystemet. I de fleste tilfeller benyttes en analog isolert høyspenningsmåling, som kan implementeres ved hjelp av en isolasjonsforsterker. Fiberoptisk overføring kan også benyttes, og denne løsningen har fordelen av at det ikke finnes noen isolasjonsgrense for spenning. Imidlertid har fiberoptiske systemer dårlig lineæritet og kan alder raskt, noe som kan være problematisk for enkelte applikasjoner.

Når det gjelder digitale isolerte målinger, kan dette gjøres gjennom analog-til-digital konvertering før digital data blir isolert. En moderne løsning for dette er Bluetooth-kommunikasjon, men denne metoden er sjelden brukt i høyspenningsomformere på grunn av kommunikasjonsforsinkelsen, som kan være uakseptabel i sanntidssystemer.

For systemer som opererer med optokoplere, benyttes oftest analoge optokoplere i kombinasjon med resistive spenningsdelere. Denne løsningen gir en trygg isolasjon av signalene, og kretskomponentene som ISO224 og AMC1411 brukes ofte som presisjonsisolatorer. I spesifikke tilfeller, for omformere med en analog kontrollsløyfe, benyttes TL431-regulatoren som en del av kontrollsystemet. TL431 er en justerbar shuntregulator med høy termisk stabilitet, og den brukes ofte i kobling med et optokoplersystem for å isolere høyspenningen fra kontrollkretsen.

For digitale implementasjoner er det avgjørende at signalene som brukes i kontrollsløyfen er nøyaktige. Etter at signalene er digitalisert gjennom en analog-til-digital-konverter, blir de kvantisert etter et bestemt antall biter som definerer oppløsningen. Dette er en viktig prosess, fordi unøyaktigheter i kvantiseringen kan føre til feil i systemets oppførsel.

Det er også viktig å merke seg at digitale kontrollsystemer, spesielt de som benytter mikroprosessorer, kan være utsatt for latens i dataoverføringen. Denne forsinkelsen kan påvirke systemets respons, og derfor er valg av riktig prøvetaking og effektiv signalbehandling viktig for å opprettholde kontrollsystemets stabilitet og raskhet.

Hvordan fungerer P-I-S og feed-forward kontrollmetode ved sporing av sinusformede referanser i kraftomformere?

En betydelig utfordring med P-I-S metoden er dens avhengighet av en presis kunnskap om nettets frekvens. Selv små avvik i frekvensen kan føre til steady-state feil i sporing av referansesignalet. Feilene kan imidlertid ofte være små og uten stor praktisk betydning, avhengig av systemparametere. For å forstå dette nærmere kreves en grundig analytisk tilnærming til systemets respons ved varierende nettfrekvenser.

Et alternativ til P-I-S metoden er en feed-forward kontrollstrategi som skiller styringen av de to IGBT-enhetene i en inverterbens positive og negative strømretninger. Ved å kontrollere hver halvperiode uavhengig, kan systemet håndtere varierende og stykkevis periodiske referanser som tilnærmes ved trinnvise bølgeformer. Dette gjør det mulig å nullstille steady-state feil under perioder med null referanse, og dermed redusere akkumulering av feil. I feed-forward kontrollen tilføres et kompensasjonsledd som motvirker ikke-ideell oppførsel i reguleringssløyfen under varierende input.

Ved design av kontrollsystemer må man inkludere realistiske overføringsfunksjoner for belastning og PWM, og ta hensyn til samplingstiden, som er omvendt proporsjonal med bryterfrekvensen. Overføringsfunksjonen til lasten modelleres som en RL-krets, mens PWM-systemets dynamikk avhenger av bryterfrekvens og spenningsnivåer. Åpne sløyfe overføringsfunksjonen består derfor av kontrollenheten kombinert med belastningens og PWM-ens responser.

For å sikre stabilitet og god dynamikk i systemet er det viktig å oppnå stor DC-forsterkning ved null frekvens for å minimere steady-state feil, samt å velge en båndbredde som gir rask respons uten å kompromittere stabiliteten. Båndbredden velges gjerne som en brøkdel (1/5 eller 1/10) av bryterfrekvensen. Videre må man sikre en tilstrekkelig fasemargin, ofte over 45°, for å unngå ustabilitet og dårlig transientrespons.

Sammenfattende gir både P-I-S og feed-forward kontrollmetoder robuste løsninger for sporing av sinusformede strømreferanser i kraftomformere, men deres effektivitet avhenger av nøyaktigheten i nettfrekvensen, implementasjonsdetaljer og valg av systemparametere. Feed-forward metoden tilbyr fordeler ved varierende nettforhold og enklere hardware, mens P-I-S metoden kan gi svært presis sporing under stabile frekvensforhold.

Viktige aspekter å forstå inkluderer at selv små avvik i nettfrekvens kan påvirke nøyaktigheten til sporing i P-I-S metoden, og at feed-forward kontroll kan redusere denne sensitiviteten ved å operere med separate strømretninger. Stabilitet og rask respons i slike systemer krever nøye balansering mellom båndbredde, fasemargin og systemdynamikk, der modellering av last og inverter inngår som essensielle faktorer. Implementeringen må også ta hensyn til sampling og digital kontroll, da disse påvirker systemets responstid og stabilitet.