Hvordan fungerer en trefaset enkeltbryter boost-omformer i nettgrensesnitt og hvordan forbedres strømens harmoniske innhold?

Trefasede enkeltbryter boost-omformere brukes ofte for å koble vekselstrømssystemer til likestrømsnettverk, spesielt på grunn av deres evne til å gi høy effektfaktor og redusert strømforvrengning. I denne topologien plasseres induktoren på nettsiden, noe som gjør at induktørstrømmen ikke blir avbrutt under drift. Dette gir flere fordeler, blant annet en AC-karakteristikk i strømmen gjennom induktoren og dermed bedre egenskaper i forhold til strømfaktor og harmoniske forstyrrelser.

Boost-omformeren opererer vanligvis i diskontinuerlig ledningstilstand (discontinuous conduction mode, DCM) med konstant frekvens. Selv om denne driftstilstanden innebærer noen ulemper, slik som økt spenning og strømstress samt elektromagnetisk interferens, gir den også betydelige fordeler. Blant disse er muligheten for nullstrømsbryting, fravær av diode-reversgjenvinning, og en enklere reguleringssløyfe som kan kontrollere både utgangseffekt og spenning.

Boost-omformeren bruker et lavpassfilter på nettsiden, hvor den ekstra induktansen også fungerer som boost-induktor for konverteren. Bryteren kan være en MOSFET eller IGBT, avhengig av applikasjonen. Når bryteren er på, lagres energi i induktorenes magnetfelt fra fase-spenningene. Når bryteren slås av, overføres energien til utgangskondensatoren. DCM-karakteristikken innebærer at strømmen gjennom induktoren synker til null før neste brytersyklus begynner. I en trefasesystemanalyse deles driftsperioden inn i 12 intervaller basert på hvilken fase som har lavest spenning, og disse intervallene styrer konduksjonsforløpet i diodene.

PWM-kontroll kan videre optimaliseres ved å modulere referansesignalet med harmoniske komponenter for å justere bryterens ON-tid i forhold til den aktuelle nettspenningen. Dette tillater en bedre kompensasjon for harmoniske og øker ytelsen. Den mest signifikante harmoniske i denne kontrollfunksjonen er den sjette orden, og ulike matematiske modeller og simuleringer kan brukes for å finne den optimale formen på denne harmoniske modulasjonen.

Ved siden av optimal PWM-kontroll er effekten av det fysiske filteret i systemet avgjørende for å oppnå god harmonisk ytelse på nettinngangen. Forståelse av strømmenes dynamikk gjennom boost-induktorene, under forutsetning av symmetri i trefasesystemet, fravær av tap, lik induktans i alle faser, og høy bryterfrekvens, gjør det mulig å modellere og forutsi systemets respons nøyaktig. Gjennom disse modellene kan man forbedre utformingen og kontrollstrategiene for boost-omformere, noe som fører til bedre effektfaktor, redusert strømforvrengning og økt driftssikkerhet.

Det er også vesentlig å forstå at selv med optimal PWM-kontroll og godt filterdesign, vil systemet alltid ha noen begrensninger i forhold til harmonisk undertrykkelse og effektfaktor, spesielt under varierende last- og nettforhold. Å integrere avansert harmonisk injeksjon og dynamisk regulering krever derfor en helhetlig tilnærming til systemdesign som inkluderer elektroniske komponenter, kontrollalgoritmer og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC).

Hvordan forbedre målinger i høyfrekvente kraftekonvertere med bredbåndsgap-halvledere

Bruken av bredbåndsgap-halvledere som SiC (Silisiumkarbid) og GaN (Gallium-nitritt) har revolusjonert ytelsen til kraftekonvertere, spesielt ved høyere spenningsnivåer og høyere frekvenser. Denne teknologien gjør det mulig å redusere tap i strømforsyninger og forbedre effektiviteten til kraftsystemer. Men for at disse enhetene skal fungere optimalt, er det viktig å forstå hvordan målingene i konvertere med slike halvledere skal utføres. I denne sammenhengen er de riktige måleinstrumentene og teknikkene avgjørende for å utnytte fordelene ved bredbåndsgap-materialene fullt ut.

For eksempel, ved bruk av CoolSiC™ MOSFET, er det vist at et modifisert TO247-pakke med fire ben, som tilbyr to kilde-terminaler, kan redusere påslåingsenergi (Eon) med opptil 40 % og avslåingsenergi (Eoff) med rundt 10 %, sammenlignet med TO247-pakken med tre ben. Denne konfigurasjonen, som kalles en Kelvin-tilkobling, bidrar til å skille gate-source-pinnen og powersource-pinnen, noe som er essensielt for å redusere parasittisk induktans. Dette prinsippet kan også anvendes i andre bredbåndsgap-enheter som eGAN, hvor det er nødvendig å isolere gate-driver-loopen fra høyfrekvent strømloop for å unngå tap og forstyrrelser.

Måling av spenningsverdier på høyfrekvente kraftekonvertere er en annen utfordring. Spesielt er det viktig å få nøyaktige målinger i MHz-området, noe som krever spesialiserte verktøy. I høyfrekvente kretser kan parasittisk kapasitans i spenningsmålinger føre til unøyaktigheter. For å kompensere for dette kan man bruke parallelle kondensatorer med motstander i spenningsdeleren. Dette kan redusere effekten av parasittisk kapasitans og forbedre nøyaktigheten i spenningsmålingene. I tillegg er det viktig å bruke aktive lukkingsteknikker i gate-driverne, som innebærer høy-båndbredde strømmåling for å få presise stigning- og falltidsmålinger på nanosekundnivå. Å bruke åpne-loopsystemer er ikke tilstrekkelig for slike applikasjoner, ettersom de ofte ikke kan håndtere den raske brytingen som skjer på nanosekundnivå.

En annen vanlig brukt teknikk for strøm- og spenningsmåling i slike applikasjoner er Kelvin-metoden, som bruker fire tilkoblinger for å sikre at strømmen som går gjennom sensoren ikke også går gjennom strømveien, noe som kan føre til feilaktige målinger. For nøyaktige strøm- og spenningsmålinger, er det også viktig å bruke materialer med lav temperaturkoeffisient, som manganin eller nichrome, for å sikre stabilitet og redusere effektene av temperaturvariasjoner. Dette gjelder spesielt for shunt-resistorer, som benyttes til måling av spenningstap ved høy strøm.

I tillegg til de tekniske aspektene som er nevnt, er det viktig å forstå at i høyeffekt- og høyfrekvente systemer er de parasittiske elementene som induktans og kapasitans alltid til stede. Deres effekt kan ikke elimineres helt, men de kan kontrolleres og reduseres ved riktig design av kretser og nøye valg av materialer. Høyfrekvent bryting kan føre til høy EMI (elektromagnetisk interferens), noe som også krever spesifikke designteknikker for å minimere forstyrrelser. Riktig måleteknikk er en nøkkel til å få presis og pålitelig informasjon fra disse systemene, og det kreves spesialiserte verktøy for å oppnå dette.

Hvordan Velge Sikringer og Forstå Deres Rolle i Høyspenningskretser

I høyeffektkretsløp er beskyttelse mot overstrøm og kortslutning avgjørende. Sikringer representerer en velkjent og pålitelig metode for å sikre at kretsene ikke overbelastes, og forhindrer dermed alvorlige skader på utstyret. En sikring er en enhet som bryter en elektrisk strøm ved å smelte eller bryte sammen under varmen som genereres av en for høy strøm. Dette gjør den til et essensielt komponent i mange elektriske og elektroniske systemer, hvor det er kritisk å opprettholde beskyttelsen mot potensielle strømfeil.

Sikringen fungerer på den måten at strømmen gjennom den skaper varme, spesielt i de reduserte delene av sikringen. Når strømmen blir høy nok, smelter disse områdene og sikringen er ødelagt. Verdien for maksimal strøm som kan passere kontinuerlig uten å skade sikringen er viktig. Denne strømmen bestemmes gjennom testprosedyrer definert i standarder som IEC60269 og UL248, som tar hensyn til faktorer som omgivelsestemperatur og AC-spenning ved 50 eller 60 Hz.

En viktig parameter for sikringer er I²t (squared RMS current multipliert med clearing-tiden), som definerer hvordan sikringen smelter under en høy feilstrøm. Selv ved lavere strømmer kan sikringen smelte, men i så fall vil det ta lengre tid. Denne avhengigheten er invers proporsjonal med den påførte strømmen, noe som kan illustreres gjennom de relevante grafene for strømbryting.

En kortslutning i et IGBT-basert system fører til at kollektor-emitter spenningen øker raskt, noe som øker den interne effektfordelingen og kan føre til enhetenes feil. Sikringen fungerer som beskyttelse dersom den elektroniske beskyttelseskretsen feiler eller ikke benyttes. I tilfelle av et ubeskyttet kortslutning kan dette føre til alvorlige skader på IGBT-enheten, inkludert smelting av forbindelsestrådene.

Plasseringen av sikringer i en kraftomformer kan variere, men en typisk løsning innebærer plassering av sikringer på DC-bussen, fase-strømmer og IGBT-enhetene. Dette er imidlertid ikke alltid nødvendig, og en enklere løsning kan ofte være tilstrekkelig. Når en sikring bryter en induktiv strøm i en DC-krets, bestemmes brytningstiden av kretsens induktans. Jo høyere induktans, desto vanskeligere er det å bryte strømmen effektivt. Sikringens evne til å håndtere energilagring er derfor viktig å vurdere, spesielt i systemer med høy induktans som for eksempel i batterier eller UPS-systemer.

I Nord-Amerika finnes det ulike typer sikringer tilpasset mellomspenningsapplikasjoner, som for eksempel E-sikringer for transformatorer og generelle formål, samt R-sikringer for motorer med høye startstrømmer. Det er viktig å merke seg at sikringene bør installeres på en måte som sikrer minimal elektrisk motstand i kontaktene, samt at monteringsstøtten bidrar til å sinke varmen fra sikringen uten å forverre oppvarmingen.

Når det gjelder temperatursvingninger, er det viktig å forstå at halvlederkomponenter i kraftelektronikk vanligvis har et temperaturområde for drift mellom −40°C og 150°C. Spesifikasjoner for kjøling er spesielt kritiske i applikasjoner som automotive, luftfart eller militære systemer, hvor ekstrem temperaturkontroll er nødvendig for pålitelig drift av enhetene.

Hvordan implementere Pulse Width Modulation (PWM) med Event Manager i digitale plattformer

Event Manager i digitale plattformer, som de som tilbys av Texas Instruments DSP-er, gir muligheten til å implementere ulike algoritmer for Pulse Width Modulation (PWM), inkludert Sinusoidal Pulse Width Modulation (SVM). Disse systemene er bygget for høy presisjon og effektivitet i applikasjoner som motorstyring og effektomformere. En av de mest grunnleggende prosessene er å bruke PWM-utganger, som kan konfigureres for å generere nødvendige tidssignaler for å styre tilstandene til brytere i en omformer eller motor.

For å implementere sinusoidal PWM med en sub-enhets modulering, for eksempel, kan event managerens sammenligningsenheter oppdateres ved hvert samplingintervall. Sammenligningsenhetene justeres med verdier som er sentrert rundt en konstant som representerer halvparten av samplingintervallet. For eksempel, hvis vi ønsker å implementere sinusoidal PWM med en modulasjonsindeks m og et samplingintervall Ts, vil perioderegisteret for timeren være programmert med en heltallig verdi N_Ts, som representerer samplingintervallet. Hver sammenligningsenhet vil da oppdateres med verdiene som følger:

1. $N_Ta = \frac{1}{2} \cdot N_Ts \cdot (1 + m \cdot \sin(\theta))$

2. $N_Tb = \frac{1}{2} \cdot N_Ts \cdot (1 - m \cdot \sin(\theta))$

Her er θ vinkelen i den sinusoidale kurven, og modulasjonsindeksen m bestemmer amplituden av PWM-signalet. Denne beregningen gjentas for hver periode av grunnfrekvensen i et kontinuerlig mønster, noe som resulterer i en jevn modulering som kan brukes til å styre motorhastighet og andre effektive applikasjoner.

I softwarebaserte implementeringer av SVM-algoritmen, kan den symmetriske PWM-generasjonen brukes til å kalkulere aktive vektorer og vektorposisjoner, avhengig av den valgte sektoren i vektorrommet. Algoritmen kan programmeres til å starte med enten nullvektoren "000" eller "111", avhengig av polariteten til PWM-signalet. Hver sektor representeres ved aktive vektorer, for eksempel 100 og 110, og programmet beregner tidene for de aktive vektorene ved hjelp av spesifikke matematiske formler (se for eksempel eksempler i de opprinnelige formelene).

I tillegg til de grunnleggende implementeringene av PWM, kan dødtid også konfigureres i Event Manager for å forsinke overgangene mellom høye og lave IGBT-signalene (Insulated-Gate Bipolar Transistor), og dermed unngå kortslutninger og forbedre påliteligheten til systemet. Dødtiden kan programmeres for alle seks utgangene samtidig, og avhenger av klokkeperioden og andre programmerbare konstanter for moderne effektkomponenter.

I tillegg finnes det muligheter for individuell PWM-kanalbruk, som gjør det enklere å kontrollere separate kanaler med uavhengige timer. Dette kan være nyttig når man ønsker å implementere ulike styringsteknikker på flere enheter samtidig, for eksempel i et fler-fase system.

En viktig faktor som må vurderes når man jobber med PWM-signaler, er oppløsning og nøyaktighet. Selv om det er mange digitale plattformer som støtter PWM-implementering, kan nøyaktigheten og oppløsningen avhenger sterkt av timerens frekvens og sammenligningsenhetenes presisjon. En høy oppløsning kan gi bedre kontroll over motorens hastighet og moment, men krever også mer kompleksitet i programmene og kan føre til økt beregningsbelastning på systemet.

I tillegg til de grunnleggende konseptene som er diskutert, er det viktig å forstå hvordan implementeringen av PWM påvirker systemets ytelse, spesielt når det gjelder strømtap og effektivitet. Effektiv PWM-algoritmer, som de som bruker redusert-tap SVM-metoder, er designet for å minimere disse tapene, men de kan kreve ekstra programmering og finjustering for å oppnå optimal ytelse. Dette gjelder spesielt i applikasjoner hvor strømmen er høy og krever presis kontroll, som i elektriske motorer eller effektomformere.

Hvordan redusere tap i kraftomformere ved bruk av resonanskretsløp og nullspenningsbytte

Bruken av svært moderne eller avanserte krafthalvledere har ført til muligheten for å bygge omformere som kan operere nær grensen for deres spesifikasjoner. For eksempel kan nyere teknologi som CoolMOS eller HyperFET tillate omkobling ved 600 V og 200 kHz med en strøm på 20-50 A. Økt omkoblingsfrekvens kan gi flere fordeler, som redusert størrelse på magnetiske komponenter, og i slike tilfeller kan resonant omkobling være et svært godt valg. Resonante omformere blir derfor stadig mer relevante, spesielt når plassbehovet er ekstremt stramt, da de gir mulighet for å bygge svært kompakte enheter.

En resonant omformer opererer ved at spenningen over halvlederenheten bringes til null før aktiveringen av en bryter. Dette er spesielt viktig i tilfeller hvor man ønsker å redusere tapene som oppstår under koblingsprosessen. Ved å benytte seg av resonanskretsen på rett tidspunkt, kan man minimere de dynamiske tapene som vanligvis oppstår når strøm og spenning samtidig veksler. Dette fører til en mer effektiv drift, særlig i tilfeller hvor man trenger høy effekt i små plasserte systemer.

Den fysiske forståelsen av hvordan en krafthalvleder fungerer ved nullspenningsbytte er avgjørende for å maksimere energibesparelsene og unngå potensielle feil i driften. Under nullspenningsbrytning er det ingen spenningsforskjell som krever ekstra ladning til gate-drain-kapasitansen, noe som reduserer den nødvendige ladningen og dermed stresset på gate-driveren. Dette gjør det lettere å designe gate-kretsen, ettersom den totale ladeeffekten blir lavere. Når bryteren aktiveres, blir gate-spenningen bestemt av gate-source-kapasitansen, og den resulterende effekten i kretsen er avhengig av transistorens transkonduktans.

Valget av en riktig krafthalvleder for nullspenningsbrytning er essensielt. Enhetene med lavere gate-kapasitans er ofte mer effektive når de opererer ved nullspenningsbrytning, ettersom effekten fra transkonduktans blir redusert. Dette betyr at selv om en enhet med mindre gate-kapasitans ikke nødvendigvis er den raskeste under vanlige forhold, kan den være den beste løsningen når ZVT benyttes. Samtidig kan effekten av gate-kapasitansen være avgjørende for valg av enheten, da den påvirker både bryterhastigheten og de totale tapene i kretsen.

Når det gjelder slukkingen av halvlederne ved nullspenningsbrytning, er det viktig å merke seg forskjellene mellom de ulike enhetene. IGBT-enheter (Insulated Gate Bipolar Transistor) er kjent for deres "tail current" – et fenomen som forsinker slukkingsprosessen. Dette skjer på grunn av en intern fysisk prosess hvor minoritetsbærere tar lengre tid å bli fjernet fra transistoren. Dette fenomenet kan introdusere ekstra tap og forsinke hele prosessen, noe som kan gjøre det utfordrende å bruke ZVT under slukkingen for IGBT-enheter. Dette er en av grunnene til at resonante omformere, som bruker ZVT, ikke alltid er den beste løsningen for alle typer halvledere.

En annen måte å tilnærme seg nullspenningsbrytning i resonante omformere er å bruke en nesten-resonant krets (quasi-resonant circuit). Dette kan gjøres ved å begynne resonanssyklusen med null spenning over resonanskapasitatoren. Når bryteren slås av, dannes et resonant kretsløp bestående av en resonanskapasitor og en induktor. Om perioden til resonanskretsen velges på riktig måte, kan spenningsnivået på bryteren gå tilbake til null ved ønsket aktiveringstidspunkt, noe som minimerer tapene ved omkoblingen.

For enklere design kan en buck-konverter med nullspenningsbrytning illustrere prinsippet. I en buck-konverter opererer bryteren i henhold til de samme kontrollkarakteristikkene som en konvensjonell buck-konverter, men med resonante elementer som sørger for at spenningen over bryteren når null på et kritisk tidspunkt. Den resulterende spenningen på resonanskapasitatoren øker linært når bryteren slås av, og på samme måte som i de mer komplekse tre-fase resonante konverterne, skjer dette på en kontrollert måte som minimerer omkoblingstapene.

Det er viktig å forstå at resonante omformere er spesielt nyttige når det er behov for svært høy effektivitet i små formfaktorer. Deres evne til å operere ved høyere frekvenser uten å øke omkoblingstapene gjør dem til en god løsning for moderne applikasjoner hvor plass og effektivitet er kritiske faktorer. Resonante omformere med nullspenningsbytte kan være et effektivt valg for høyfrekvent drift, men deres ytelse er sterkt avhengig av riktig valg av komponenter og design av kretsløp.