Hvordan kan man minimere komponenter i trefase kraftomformere og samtidig opprettholde funksjonalitet?

En innovativ tilnærming til trefase AC/DC/AC-konvertering fokuserer på reduksjon av antall komponenter, samtidig som systemets ytelse opprettholdes eller forbedres. En interessant topologi for dette er B4-inverteren, som kan kombineres med en enfase front-end konverter for å implementere hele AC/DC/AC-konverteringskjeden ved hjelp av en seks-pakningsmodul. Denne løsningen forenkler implementeringen, men krever en større DC-kondensatorbank for å stabilisere DC-bussen. De to konverteringsstadiene, AC/DC og DC/AC, styres uavhengig, og en ekstra kontrollenhet overvåker DC-spenningen mellom to terskelnivåer. En viktig konsekvens av denne tilnærmingen er at DC-bussens spenning blir høyere enn i tradisjonelle topologier, noe som krever nøye vurdering i systemdesign.

Matematisk transformasjon av strømkurvene til et vektorrådstoffsramme avslører at de genererte strømmer tilsvarer et biffasisk system som kan erstatte en tradisjonell trefase strømfordeling, og dermed skape et fungerende magnetfelt for maskinen. Det praktiske problemet med denne løsningen er imidlertid at strømmer i DC-mellompunktet og kondensatorer går i samme retning, noe som kan føre til ubalansert utladning og overlading av kondensatorene. For å løse dette, foreslås en ekstra DC/DC-konverter som styrer kondensatorspenningen, men dette kompliserer systemdesignet betraktelig.

Et alternativ er å modifisere en av fasene ved å reversere dens retning og justere viklingstallet, slik at strømmen i denne fasen dobles i forhold til de andre to. Dette løser problemer i DC-bussen, men krever en spesialbygd elektrisk maskin, noe som begrenser løsningens praktiske anvendelighet. Bruken av slike spesielle strømformer øker også koppertapene i statoren, med en økning på omtrent 20,67 % sammenlignet med konvensjonelle tilfeller. Rotorens koppertap antas å være omtrent uendret, mens jern- og magnetiseringstap kan justeres noe ved å optimalisere det magnetiske flukset.

Disse topologiene representerer viktige konseptuelle fremskritt innen kraftomformerteknologi, selv om de ikke nødvendigvis er praktiske i dagens industrielle applikasjoner. Forståelsen av slike avanserte konverteringsmetoder kan legge grunnlaget for utvikling av nye og mer effektive kretstopologier i fremtiden.

Samtidig har det vært en sterk motivasjon for direkte konverteringsløsninger, grunnet kostnad og størrelse på passive filterkomponenter i den mellomliggende DC-bussen. En enkel og praktisk løsning benytter moderne IGBT-baserte AC-kontrollere som kan generere trefase spenninger med konstant frekvens og variabel amplitude ved hjelp av pulsbredde-modulering. Kontroll av både høy- og lavside-IGBT’er muliggjør presis styring av spenning og lasttilkobling til nettet, med forbedringer gjennom bruk av reversledende IGBT-er som optimaliserer krafttrinnets design.

Viktige aspekter som leseren bør forstå, inkluderer den fundamentale balansen mellom kompleksitet og ytelse i kraftomformere. Reduksjon av komponentantall gir fordeler i form av kostnad, pålitelighet og størrelse, men kan også introdusere utfordringer som økte tap, behov for spesialmaskiner eller komplisert styring av DC-bussens tilstand. En dyp innsikt i elektromagnetisk teori, strømformsanalyse og kontrollstrategier er essensielt for å kunne utvikle og anvende slike konverteringsteknologier optimalt. Videre må praktiske begrensninger som termiske tap, spenningsstabilitet og elektromagnetisk kompatibilitet alltid vurderes parallelt med teoretiske forbedringer. Dette gjør at avansert konverteringsteknologi alltid krever en helhetlig tilnærming, hvor teori, design og implementering må integreres for å sikre robust og effektiv drift.

Hvordan synkron rektifikasjon påvirker effektomformere og effektiviteten i strømforsyninger

I moderne effektomformere for mellom- og høy effekt behandles energi som vekselstrøm (AC), ettersom hele den nasjonale distribusjonen av elektrisk energi er avhengig av AC-spenninger. Dette skaper et behov for bidireksjonale brytere. For å møte dette behovet, har det blitt demonstrert at en kombinasjon av en bryter og en antiparallel diode kan brukes til å bygge invertere. I periodene hvor diodene leder strøm, kan spenningsfallet føre til betydelige tap. I tillegg kan diodens frakobling gi revers gjenvinning og ytterligere kommutasjons-tap.

For å beskytte MOSFET-en, brukes fortsatt en diode i kretsen, men dens ledningstid reduseres ved hjelp av MOSFET-en som er plassert parallelt med dioden. Når MOSFET-en begynner å lede i sin tredje kvadrant, flyttes strømmen fra dioden til MOSFET-en, og dioden slår seg av. Selv om MOSFET-ens påslåingstidspunkt ikke er nøyaktig kontrollert via gaten, forårsaker ikke den frie strømgjennomgangen fra en induktiv last skade eller fare.

Selv om tapene i gate-kretsen er stort sett uavhengige av lasten, er ledningstapene sterkt avhengige av laststrømmen for en effekt-MOSFET. Derfor er fordelene ved synkron rektifikasjon i lavspente effektomformere ganske åpenbare. MOSFET-enheter vurdert under 100 V og under 25 A kan lett ha Rdson-verdier i området 5–20 mΩ. Spenningsfallet over MOSFET-en er langt under spenningstapet over diodens overgang. Nesten alle effektomformere for lavspente applikasjoner benytter synkron rektifikasjon.

Ved mellom- og høye spenninger har silisium-MOSFET-er slitt med å finne plass i markedet, fordi en høyere sammenbruddsspenning innebærer en større silisiumflate og dermed en større Rdson. Spenningsfallet under ledning gir betydelig større tap enn en diode. Av denne grunn har IGBT-enheter blitt foretrukket i høyspente applikasjoner. Imidlertid kom en betydelig forbedring med Superjunction MOSFET (SJ-FET). Denne teknologien, som ble introdusert i 1998, tilbyr lavere ledningsmotstand, lavere gate-lading og lavere utgangslading sammenlignet med tradisjonelle vertikale MOSFET-er. SJ-FET-en har dermed blitt en konkurransedyktig løsning for høyspente effektbrytere for spenninger i området mellom 600 V og 1200 V.

Infineon Technologies har, basert på SJ-FET-prinsippene, utviklet CoolMOS™-enheter. Disse enhetene reduserer on-motstanden drastisk med en faktor på fire eller mer sammenlignet med konvensjonelle silisium-MOSFET-er på 900 V. Et eksempel på en superjunction CoolMOS™-enhet er IPB60R045P7, som er vurdert for 650 V med en kontinuerlig dreneringsstrøm på opptil 61 A og har en Rdson på 45 mΩ. Når den brukes i en applikasjon med 30 A laststrøm, blir spenningsfallet 1,35 V. Dette kan sammenlignes med 1,70 V for en ultrarask silisiumdiode som STTH30M06S fra ST Microelectronics.

Det er viktig å merke seg at synkron rektifikasjon og bruken av FET-ledning i stedet for diodens ledning ikke er et universelt tilfelle. Det finnes betydelige forskjeller mellom forskjellige klasser av FET-transistorer, og den spesifikke designen av MOSFET-en kan påvirke hvordan kroppsdioden oppfører seg, noe som kan påvirke Rdson i den tredje kvadranten, selv om Rdson-verdien for MOSFET-en generelt anses å være den samme i både første og tredje kvadrant.

Fremtidig forskning retter seg mot adaptive deadtime-metoder som kan optimalisere deadtime til et minimum for hvert driftspunkt, selv i nærvær av parasittiske induktiviteter i omformeren. Et eksempel på dette finnes i NCP4318-adaptive deadtime-kontrolleren, som reduserte kroppsdiodens ledningstid fra 4,84 μs til 1,10 μs, til tross for eksistensen av induktiviteter i kretsen. Denne teknologien gir bedre effektivitet ved å justere gate-spenningen for drift ved lette belastninger.

En annen tilnærming til å håndtere kroppsdiodens ledning innebærer bruk av et cascode-oppsett for effektbryteren. Dette prinsippet, som er videre utdypet i kapittel 3 for eGaN-enheter, viser hvordan en gate-krets kan kontrollere en lavspenning MOSFET som tillater ledning av en SJ-FET. Cascode-kretsen forhindrer eller reduserer aktiveringen av kroppsdioden ved å holde SJ-FET-en i ledning mens transistoren opererer i den tredje kvadranten.

For FET-enheter bygget på bredbåndgap-halvledermaterialer er resultatene enda bedre enn for silisiumbaserte enheter. Spesielt CoolSiC™-enheten, som også tilbyr ledning i revers-modus via kroppsdioden, representerer en løsning for høy-effekt applikasjoner. Den bredbåndgapteknologien gir fordeler i form av lavere spenningsfall under ledning i den tredje kvadranten, noe som gjør at synkron rektifikasjon blir mer nødvendige.

Hvordan Adaptive SVM Kompenserer for DC Ripple i PWM-Invertere

Adaptive SVM (Støttevektormodulasjon) er en metode som brukes for å forbedre ytelsen til PWM-invertere, spesielt i applikasjoner der DC ripple, eller den uønskede variasjonen i spenningen, må kompenseres. I en inverter, der elektrisk energi konverteres fra DC til AC, er ripple et resultat av variasjoner i både den elektriske strømmen og spenningen som kan påvirke effektiviteten og stabiliteten til systemet. Ved å bruke adaptive SVM kan man redusere disse ripple-effektene, og dermed sikre en mer pålitelig drift og høyere energieffektivitet.

Adaptive SVM er en dynamisk metode som kontinuerlig tilpasser modulasjonsvinklene for å minimere effekten av ripple. Dette skjer ved å analysere og justere PWM-signalet på en måte som reduserer harmoniske forvrengninger og uønskede transiente fenomener. Teknologien bygger på et avansert matematisk rammeverk hvor inverterens respons på endringer i belastning og driftstilstand blir nøye vurdert.

En viktig komponent i denne metoden er definisjonen av referansefunksjonen, som styrer hvordan inverteren skal justere sine switching sekvenser. Ved å bruke ulike metoder for å lage en kontinuerlig referansefunksjon, kan man sikre at modulasjonsmønsteret forblir stabilt, samtidig som energitap og harmoniske forvrengninger minimeres. Den kontinuerlige referansefunksjonen bidrar til å opprettholde optimal ytelse selv under varierende forhold.

Når det gjelder den diskontinuerlige referansefunksjonen, er målet å redusere de tapene som oppstår under høye switching-frekvenser. Denne funksjonen er spesielt nyttig når man forsøker å redusere den termiske belastningen på komponentene, noe som kan øke levetiden og påliteligheten til systemet. I tillegg gir den mulighet for et mer effektivt energiforbruk ved å redusere de totale tapene som oppstår ved hver syklus.

Ulike metoder for switching sekvenser og deres påfølgende kompensering av DC ripple er et nøkkelområde for innovasjon innen moderne PWM-teknologi. Dette er et område der det finnes mange muligheter for videre utvikling, både når det gjelder å finne nye algoritmer og å optimalisere eksisterende modeller. En av de viktigste utfordringene er å balansere ytelsen mellom forskjellige former for modulasjon, og det er her SVM viser sitt potensial ved å tilby fleksibilitet i måten det tilpasser seg ulike driftstilstander.

I tillegg til å håndtere ripple, er det essensielt å forstå hvordan høyfrekvent og lavfrekvent drift påvirker inverterens ytelse. Dette skiller seg fra tradisjonelle invertere som kan være utsatt for høyere harmoniske forvrengninger når modulasjonen ikke er optimal. Adaptive SVM kan bidra til å tilpasse både høy- og lavfrekvente driftsmoduser slik at de harmoniske forvrengningene reduseres effektivt, noe som forbedrer den totale effektkvaliteten.

Det er også viktig å merke seg at mens adaptive SVM kan gi en betydelig forbedring i ytelsen, er det avgjørende å ta hensyn til systemets totale design, inkludert komponentenes pålitelighet og termiske egenskaper. Med de riktige materialene og komponentene kan systemene oppnå høyere effektivitet og lengre levetid, noe som er essensielt i applikasjoner som krever pålitelig og langvarig drift.