Hvordan balanseres strøm mellom parallelle omformere?

I parallelle kraftomformere er et av de mest utfordrende aspektene strømfordeling. Selv når gjennomsnittsverdien av utgangsspenningen til hvert enkelt modul er identisk, vil de øyeblikkelige spenningene ofte være ulike. Dette fører til forskjeller i spenningsnivåene på hver side av mellomfase-induktorene, som igjen gir opphav til sirkulerende strømmer mellom modulene. Disse strømningene øker belastningen på halvlederkomponentene og setter høyere krav til deres tåleevne.

Tilkoblingskonfigurasjonen mellom kraftmodulene påvirker også induktansens virkning. Bruken av separatinduktorer, midtpunktsinduktorer eller koplete induktorer (med direkte eller invers kobling) endrer den ekvivalente induktansen ved terminalene. Direkte kobling reduserer Leq, noe som øker strømkrusninger, mens invers kobling øker Leq og dermed reduserer dem. Videre er det mulig å fordele induktansen mellom AC- og DC-siden, et prinsipp hentet fra høyereffekt-dioderetterkoblere der induktorer benyttes på begge sider ved effektnivåer over 15 kW.

Kontrollsystemet for slike parallelle strukturer har som hovedmål å jevne ut strømfordelingen og begrense sirkulerende strømmer. Lastegenskapene avgjør hvilken kontrollstrategi som er egnet: induktive laster egner seg for åpen sløyfekontroll med forhåndsbestemte koblingsmønstre, mens kapasitive eller spenningsstyrte laster krever streng lukket sløyfekontroll for å holde spenningen stabil.

Et kritisk valg i kontrollen av parallelle omformere er hvordan PWM-sekvensene genereres. Én mulighet er å benytte én felles PWM-krets for alle modulene, men dette kompliserer implementering av individuell beskyttelse. En annen løsning innebærer separate kontrollenheter for hver omformer med tilnærmet identiske PWM-mønstre, noe som forbedrer modulariteten, men ikke nødvendigvis strømkrusninger. En tredje metode tar utgangspunkt i

Hvordan påvirker overmodulering ytelsen til tre-fase PWM-vekselrettere?

Overmodulering er en nødvendighet i situasjoner der det tilgjengelige likespenningen i en vekselretter ikke er tilstrekkelig til å oppnå ønsket utgangsspenning. Dette skjer typisk i dynamiske eller transiente tilstander, der responsen må være rask og maksimal spenning utnyttes. Sammenlignet med konvensjonelle uniformt-samplede PWM-metoder, gir sinus-triangel-krysningsmetoden enklere implementering av overmodulering, men dette kommer med tydelige kompromisser.

For digital implementering av uniform-samplet PWM kreves det forberedelse av overmoduleringsoperasjonen i form av funksjoner som legges til referansespenningen. Dette krever omfattende offline-beregninger og tabeller for oppslag, som både tar opp minneplass og kompliserer sanntidskontroll. Alternativt kan man benytte kvadratiske kompenseringspulser, men også dette forutsetter nøyaktig modellering av systemets ikke-lineariteter og begrensninger.

Effekten av overmodulering manifesterer seg direkte i inverterens ytelse, spesielt når man opererer nær eller forbi grensen for lineær modulering. Harmoniseringen av utgangsspenningen forverres, kontrollen mister lineæritet, og spenningsdifferanser forårsaket av "deadtime" og minimumspulsbredde får større innvirkning. Til tross for dette kan enkelte PWM-strategier, som diskontinuerlig PWM, redusere disse effektene og gi bedre ytelse, særlig ved høy effekt og ved bruk av moderne IGBT-baserte topologier.

Et mer robust rammeverk for analyse og implementering finnes i romvektor-PWM (SVPWM). Ved hjelp av vektorbasert analyse forenkles definisjonen av overmodulering og gir en mer strukturert tilnærming til både spenningsutnyttelse og tapsoptimalisering. Dette gjelder særlig i applikasjoner der romlige symmetrier og inverterens sekvensielle tilstander utnyttes for å minimere koblingstap og harmonisk forvrengning. En korrekt implementert SVPWM-strategi muliggjør også integrasjon av tredje harmonisk referansespenning, som kan bidra til økt spenningsutnyttelse uten å forverre utgangssignalets totalharmoniske forvrengning.

Minimumspulsproblematikk er også sentral ved implementering av PWM i høyfrekvente systemer. Ved svært korte pulsbredder kan det oppstå tap av kontroll på grunn av begrensninger i driverkretsene eller switchingtap i halvlederne. I tillegg fører "deadtime" mellom switchings-sekvenser til spenningsfeil i faseutgangene, som i sin tur reduserer den effektive modulasjonsindeksen og kan føre til lavere dreiemoment i motordrift.

Bruk av tredjepartsprogramvare for å analysere avhengigheten mellom modulasjonsindeks og harmonisk innhold er derfor ikke bare nyttig, men nødvendig. For eksempel kan en begrenset sinusformet referanse med høy amplitude me

Hvordan implementere lukket sløyfe-strømstyring i spenningsomformere: Praktiske utfordringer og løsninger

Når det gjelder ytelsen til spenningsomformere, er implementeringen av en lukket sløyfe-strømstyring en effektiv metode for å oppnå forbedret stabilitet og respons. Den vanligste løsningen for strømstyring i spenningsomformere basert på spenningskilder involverer bruk av en strømmålesløyfe som arbeider sammen med et høyfrekvent pulsbredde-modulasjonssystem (PWM). Dette kapitlet utforsker de ulike utfordringene som oppstår ved implementeringen av slike systemer, samt mulige løsninger på disse problemene.

Strømmåling og synkronisering med PWM

Kjernen i enhver lukket sløyfe-strømstyring er evnen til å måle strømmen nøyaktig. I høye spenningsnivåer og med høyfrekvente brytesystemer, kan strømmålingen påvirkes av en rekke faktorer som elektromagnetisk interferens (EMI), elektrisk støy og temperaturvariasjoner. Det er derfor viktig å bruke sensorer som er motstandsdyktige mot disse utfordringene for å sikre nøyaktige målinger under alle forhold. En av de mest etablerte metodene for strømmåling i slike systemer er bruken av shuntmotstander.

Shuntmotstandere

Den eldste metoden for strømmåling er å bruke en lavverdimotstand i strømkretsen og måle spenningsfallet over denne motstanden. Motstanden til shuntmotstanden vil vanligvis være på milliohm-nivå, noe som sikrer at spenningsfallet ved full strøm ikke blir for høyt. For eksempel, en shuntmotstand på 0,005 Ω for en strøm på 15 A vil kun produsere et spenningsfall på 75 mV. Dette er en svært liten verdi, og derfor er det viktig at shuntmotstandens verdi er stabil i forhold til strømstyrken og temperaturen.

Shuntmotstandere krever at spesifikasjoner for både motstand og induktans er svært presise. Induktans er spesielt kritisk fordi selv små induktanser kan forvrenge målingene, spesielt i systemer med høyfrekvent PWM. En vanlig utforming av shuntmotstandere benytter såkalt Kelvin-metode, hvor måleinstrumentet kobles til motstanden med fire terminaler for å eliminere feilkilder som kan oppstå ved motstandene i ledningene. Dette sikrer at kun spenningsfallet over selve motstanden blir målt, og ikke eventuelle parasittiske spenningsfall fra tilkoblingsledninger.

En annen viktig egenskap ved shuntmotstander er deres materialvalg. For å minimere temperaturavhengigheten benyttes materialer som manganin eller konstantan, som har lave temperaturkoeffisienter, og derfor er mer stabile i et bredt temperaturintervall. Moderne design bruker også kobberbaner på kretskort for å lage strømmålingsresistorer, som er praktiske for lavere effektnivåer.

Isolasjon og signalbehandling

En utfordring ved bruk av shuntmotstander er at signalene som genereres fra dem vanligvis er flytende i forhold til jord, noe som kan skape problemer i målesystemet. For å håndtere dette brukes operasjonsforsterkere med høy avvisning av fellesmodus, slik som INA148 eller INA117 fra Texas Instruments. Disse forsterkerne er designet for å håndtere store fellesmodus-spenninger, noe som er vanlig i applikasjoner med høy spenning.

Praktiske utfordringer ved høyspenningsapplikasjoner

I høyspenningssystemer, som de som brukes i industrielle applikasjoner eller elektriske kjøretøy, kan de utfordrende forholdene bli ytterligere forsterket. Når man arbeider med høyere effektområder, er det viktig å ikke bare ta hensyn til motstandens verdi og materialegenskaper, men også tilkoblingens integritet, isolasjonsbehov og den generelle termiske stabiliteten i systemet. I slike systemer kan det være nødvendig med dedikerte isolasjonsforsterkere og sikkerhetsmekanismer for å beskytte både måleinstrumentene og systemet som helhet.

I tillegg til de fysiske utfordringene i målesystemene, må den elektroniske kretsen designes for å motstå interferens og sikre at signalene som sendes gjennom kontrollsløyfen ikke blir forvrengt av elektromagnetisk støy. For å oppnå best mulig ytelse er det nødvendig med presis synkronisering mellom strømmålesystemet og selve PWM-signalet, noe som krever at målesystemet reagerer raskt nok til å følge de hurtige endringene i strømmen som skjer på grunn av høyfrekvent bryting.

Integrering av løsninger i moderne kretser

Med fremveksten av integrerte kraftmoduler (IPM-er) i de siste tiårene, har det blitt mulig å integrere strømstyringskomponentene direkte på kretskortene. Dette har vært spesielt nyttig for lavspennings DC/DC-omformere, hvor det nå er vanlig å bruke kobberbaner som motstander for strømmåling. Designet må ta hensyn til både materialets temperaturkoeffisient og kretsens lengde og bredde for å sikre nøyaktighet.