Hvordan resonante kretser påvirker strømstyring og spenningsvending i strømomformere

Resonante kretser spiller en viktig rolle i strømomformere, og deres dynamikk er avgjørende for å oppnå effektiv strømstyring. En resonant krets er i stand til å omstille spenninger og strømmer på en måte som reduserer tap og forbedrer ytelsen til elektroniske kretser, spesielt i strømomformere som benytter seg av nullstrømssvitsjing (ZCS) eller nullspenningsvending (ZVS). Forståelsen av resonante kretser er derfor essensiell for design og optimalisering av strømomformere.

I en resonant krets er spennings- og strømvekslingene i komponentene som kondensatorer (Cr) og induktorer (Lr) nært sammenkoblet. Når spenningen over en resonant kondensator (Cr) endres, oppstår en resonant svingning som kan føre til at spenningen reduseres til null, som beskrevet i formelen for vCr(t) (15.27). Når denne spenningen når nullpunktet ved et bestemt tidspunkt t2, skjer en viktig overgang i kretsen. Hvis det er tilstrekkelig energi i lasten, kan spenningen på kondensatoren svinge negativt, noe som utløser en diodens antiparallelle funksjon og dermed hindrer at spenningen synker under et visst nivå.

Strømmen gjennom kondensatoren er gitt av formelen for iCr(t), og denne strømmen når sitt maksimale negative nivå ved tidspunkt t2. Den resonante strømmen gjennom induktoren Lr og dioden er beskrevet som en forskjell mellom inngangsstrømmen (IL) og strømmen gjennom kondensatoren, og denne strømmen viser en jevn variasjon etter tidspunkt t2. Etter t2 har induktoren en konstant spenning over terminalene sine, mens strømmen gjennom induktoren øker lineært fra sitt startnivå ved t2.

Når strømmen gjennom den antiparallelle dioden når null ved t3, er det et kritisk punkt der kontrollen av strømomformeren blir avgjørende. Tidsintervallet mellom t2 og t3 er ikke styrt av kontrollsystemet, og det er derfor viktig å aktivere strømbryteren (switchen) på riktig tidspunkt for å unngå tap i form av switching losses. Dette skjer før den antiparallelle dioden slår seg av, og strømmen fortsetter å svinge inntil tidspunkt t4, hvor den resonante strømmen fullfører sin syklus.

Det er videre viktig å merke seg at resonante kretser ikke bare gjelder for en-fase omformere, men også kan implementeres i tre-fase systemer. I slike systemer er det naturlig å dra nytte av de resonante komponentene i MOSFET-ene og IGBT-ene, og deres parasittiske egenskaper kan brukes til å skape en resonans som reduserer tap ved switching og øker den totale effektiviteten.

For å forstå resonante kretser er det viktig å gå videre fra den teoretiske analysen og anvende den i praktiske design. En god forståelse av hvordan resonansen påvirker både spenning og strøm over komponentene vil bidra til å unngå vanlige problemer som høy switching loss og ineffektiv energioverføring. Designere bør også være oppmerksomme på de tidsmessige forholdene som bestemmer når bryterne skal slås på og av, samt hvordan de parasittiske elementene kan utnyttes til å minimere energitap.

Er det bedre å parallellkoble flere lav-effekt IGBT-er eller bruke én høy-effekt enhet?

Utviklingen innen halvlederteknologi har åpnet for en rekke løsninger innen kraftkonvertering, hvor spørsmålet ofte reises: bør man bruke én kraftig IGBT-enhet eller parallellkoble flere mindre enheter? Dette er ikke kun et spørsmål om tilgjengelig teknologi, men om termisk styring, pålitelighet, elektromagnetisk interferens og økonomi. Tradisjonelt ble flere lav-effekt IGBT-er koblet i parallell for å oppnå ønsket strømkapasitet, men den moderne tilgangen på høy-effekt IGBT-er har snudd balansen.

I de fleste tilfeller i dag, spesielt etter 2024, anbefales bruk av én IGBT med høyere strømrating. Slike enheter tilbys i et bredt spenn av strøm- og spenningstyper, og eliminerer mange av utfordringene forbundet med parallellkobling. Likevel finnes det eldre systemer og nisjeapplikasjoner hvor parallellkobling av IGBT-er eller MOSFET-er fortsatt er relevant eller nødvendig.

En mellomløsning, som har fått bred anvendelse, er bruk av hybrid IGBT-er – komponenter som internt består av flere mindre silisiumbrikker (chiplets) integrert i én enkelt pakke. Disse enhetene gir kortere forbindelser og lavere parasittisk induktans, noe som gir bedre temperaturfordeling og termisk stabilitet. En tykk kobberplate loddet på keramisk substrat (som alumina, aluminium nitrid eller berylliumoksid) brukes som termisk og elektrisk grensesnitt, med høy varmeledningsevne og elektrisk isolasjon opptil 6000 V.

Når man designer en ny kraftmodul, må man vurdere flere forhold. Dersom løsningen krever mer enn fem chiplets, er hybride moduler klart fordelaktige, både når det gjelder størrelse, kostnad, termisk håndtering og elektromagnetisk støy. I slike tilfeller kan man redusere behovet for ekstra buskapasitans. På den annen side, ved behov for kun to eller tre brikker, kan diskrete enheter gi mer fleksibilitet og bedre kontroll over parasittiske effekter og fotavtrykk.

Men parallellkobling har sine uunngåelige tekniske begrensninger. Strømdeling mellom IGBT-er må være nøyaktig, og variasjoner i VCE(IC)-karakteristikker, parasittiske motstander og induktanser kan føre til ulik strømfordeling. Dette kan i verste fall føre til at én enhet overskrider sin merkestrøm, noe som medfører lokal overoppheting og potensielt havari.

To IGBT-er vil aldri være helt identiske. Selv små variasjoner i VCE vil resultere i ulik strømbelastning. Dette kan uttrykkes matematisk som en funksjon av spenning og indre motstand, der strømmen i hver enhet bestemmes av summen av motstander og spenningsforskjeller. En enhet med lavere VCE vil naturlig trekke mer strøm.

Det er derfor avgjørende å forstå at parallellkobling av krafthalvledere ikke er en enkel løsning, men et komplekst kompromiss som krever grundig analyse av både elektriske og termiske egenskaper, samt detaljert modellering av parasittiske komponenter.

For å gjøre de riktige tekniske valgene bør man i tillegg vurdere svitsjetap ved høy frekvens, behov for snubberkretser, termisk kobling mellom enhetene, samt kostnaden og tilgjengeligheten på markedsnivå. Når et høy-effekt IGBT-modul er tilgjengelig og kan dekke systemkravene, er det i de fleste tilfeller det foretrukne valget.

Hvordan implementere IGBT-baserte AC/AC-konvertere i industrielle systemer: En analyse av effektmoduler og ytelseskrav

Innen kraftomformere har utviklingen av direkte AC/AC-konvertere, spesielt de bygget med Current Source Inverter (CSI)-moduler, fått økt oppmerksomhet på grunn av deres muligheter for å redusere antallet passive komponenter. Denne teknologien utnytter de samme prinsippene som de tradisjonelle inverterne, men ved hjelp av IGBT-baserte enheter som integrerer flere funksjoner i ett kompakt modulært system. Bruken av slike invertermoduler åpner for mer pålitelige og kostnadseffektive løsninger i applikasjoner som motorstyring, solcelleanlegg og mer.

Utfordringer ved implementering av PWM-algoritmer for CSI-konvertere

IPM-baserte AC/AC-konvertere: En løsning på pålitelighet og ytelse

Et viktig aspekt ved designet av moderne AC/AC-konvertere er pålitelighet og effektivitet. I dag har mange produsenter vendt seg til Integrated Power Modules (IPM), som tilbyr høyere pålitelighet enn tradisjonelle individuelle komponenter. Bruken av IPM-moduler, som kombinerer flere funksjoner i én enhet, forbedrer ikke bare den termiske designen, men også den generelle layouten, noe som har en direkte effekt på systemets langvarige ytelse. I tillegg reduseres behovet for passive komponenter som elektrolyttkondensatorer, som tidligere har vært en flaskehals for systemets levetid på grunn av deres følsomhet for temperatur og spenning.

Energiutnyttelse og systemets levetid

Ved design av effektomformere for industrielle applikasjoner er det essensielt å forstå forholdet mellom energieffektivitet og systemets levetid. En viktig faktor er de elektrolyttiske kondensatorene, som er kjent for å ha en relativt kort levetid sammenlignet med andre komponenter. Denne levetiden kan estimeres ved hjelp av Arrhenius-loven, som gjør det mulig å beregne hvor lenge en kondensator vil vare basert på temperatur og spenning. De nyeste teknologiene for AC/AC-konvertere har gjort det mulig å eliminere eller redusere bruken av disse kondensatorene betydelig, noe som har en direkte positiv effekt på systemets levetid og pålitelighet.

Ytelsesforbedringer med IPM-moduler

Videre gir IPM-modulene et klart ytelsesfortrinn ved at de tillater et mer effektivt strømstyringssystem. Resultatene fra de teoretiske modellene viser at det er mulig å oppnå en høyere kvalitet på strømforsyningen gjennom korrekt implementering av inverteralgoritmene. I de fleste industrielle applikasjoner vil IPM-modulene også tillate at driftskostnadene holdes lave på grunn av bedre kjølesystemer og redusert behov for vedlikehold. Det er også viktig å merke seg at det er mulig å bruke små LC-inngangsfiltret på nettet, selv om det kan utelates dersom strømnettet er sterkt nok.

Betydningen av pålitelighet og levetid i industriell bruk

En kritisk faktor som bør vurderes i forbindelse med installasjon av IGBT-baserte AC/AC-konvertere er påliteligheten over tid. I forbrukermarkedet forventes en levetid på minst 20 år med en feilrate på 10 %. Dette stiller strenge krav til både design og implementering av disse modulene. En stor utfordring for systemets pålitelighet har vært elektrolyttkondensatorene, som forblir en svakhet i mange designs. Derfor blir det stadig mer vanlig å bruke mer robuste alternativer eller helt eliminere behovet for slike komponenter gjennom smartere systemdesign.