Hvordan Overmodulering Påvirker Effektiviteten i Trefase Invertere med Flashminne-Basert Multi-Optimal PWM

I mange kraftomformere, som trefase invertere, er moduleringen av spenningen avgjørende for ytelsen. Standard metoder som sinusoidal PWM og Space Vector Modulation (SVM) har sine begrensninger når det gjelder å oppnå høyere spenning uten å overskride den maksimale tilgjengelige spenningen. For å omgå denne begrensningen implementeres ofte overmodulering, som gjør det mulig å oppnå høyere spenninger og dermed bedre ytelse, spesielt i applikasjoner som krever rask akselerasjon eller deselerasjon.

Når man vurderer den maksimale moduleringen i konvensjonell SVM, er den definert som forholdet mellom RMS-verdien til fase-spenningen ved grunnfrekvens og RMS-verdien av kvadratsignalet. I praksis gir sinusoidal modulering en maksimal modulering på 0,736, mens SVM kan oppnå 0,866. For å oppnå en høyere spenning, utover disse grensene, benyttes overmodulering, som gjør det mulig å utvide moduleringen til en verdi så høy som 0,955. Dette muliggjør en seks-trinns operasjon for inverteren.

Videre er det viktig å merke seg at dette tapet i RMS-spenning kan kompenseres med hjelp av strategier som redistribuerer tidsintervallene til de aktive vektorene. Dette er avgjørende for å opprettholde den ønskede effekten samtidig som spenningen økes. Kompensasjonen skjer gjennom et forhold mellom sektorens areal og arealet til en trekant, som gir nødvendige justeringer for å balansere tapet og gevinsten som oppnås ved den utvidede moduleringen.

Op-II-modusen går enda lenger. Her beskrives spenningsvektorens bane som en hexagonal form, og for å øke den ønskede RMS-fase-spenningen, kan PWM genereres på en mer intensiv måte ved at pulsene grupperes nær de aktive vektorene, i stedet for å følge den hexagonale banen. Denne teknikken gir enda høyere spenning, men fører til en ujevn fordeling av pulsene, som kan føre til en høyere grad av overmodulering. Resultatet er at både aktivvektorene og deres tilknyttede tidsintervaller i en viss sektor fylles ut, uten nulltilstand, for å maksimere spenningen.

Den matematiske beregningen av tidsintervallene for begge driftsmoduser krever sofistikerte metoder, som kan implementeres i programvare som MATLAB® eller Microsoft Excel. Disse verktøyene tillater at beregningene blir gjort automatisk og gir mulighet for lagring av resultatene i flashminne, som igjen kan brukes til å tilpasse PWM-signalet i sanntid. Dette gir større fleksibilitet og bedre kontroll over den elektriske energioverføringen.

Overmodulering spiller en essensiell rolle i dynamiske applikasjoner, spesielt når det er behov for raskere respons fra inverteren, som ved akselerasjon eller når høyere effekt er nødvendig i et kort tidsintervall. I tillegg til å forbedre ytelsen i slike tilfeller, kan overmodulering også bidra til bedre energieffektivitet i systemer hvor det er strenge krav til energiforbruket og krafttransmisjon.

Det er også viktig å forstå de geometriske prinsippene bak overmoduleringen. For økte moduleringsindekser er det nødvendig å omfordele tidsintervallene for å forhindre at det oppstår betydelig energitap. Modifikasjonene som gjøres for å kompensere for disse tapene krever nøye vurdering av de geometriske arealene som beskriver spenningsvektorens bane i det komplekse planet. Dette er en avansert prosess som krever presisjon og grundig forståelse av både de matematiske og elektriske prinsippene som styrer PWM-genereringen.

Hvordan dimensjonerer og implementerer man snubberkretser i kraftige kraftelektroniske omformere?

Valget og dimensjoneringen av snubberkretser er et kritisk aspekt i designet av kraftige omformere, spesielt for å sikre pålitelighet, redusere spenningsoversving og beskytte halvlederbrytere under raske koblingsoperasjoner. En sentral utfordring er å håndtere parasittiske induktanser som oppstår mellom likestrømskilden og effektmodulens terminaler. For å begrense overspenningen ved utkobling av for eksempel en IGBT, benyttes snubberkondensatorer direkte koblet til modulens terminaler. Typisk dimensjoneres disse etter omtrent 1 µF per 100 A i bryterstrømmen, men den eksakte verdien avhenger sterkt av estimert parasittinduktans.

Ved å se bort fra de interne koblingsdetaljene i halvlederen, kan en forenklet analyse benyttes for å estimere nødvendig kapasitans. Den resulterende spenningsbølgeformen over kollektor-emitter-terminalene kan beskrives som en sinusfunksjon der spenningen øker til et maksimum bestemt av den lagrede energien i systemets induktans. For å unngå at denne toppspenningen overskrider en ønsket maksimalverdi (VMAX), kan kapasitansen Cs uttrykkes eksplisitt i funksjon av laststrømmen Io og den parasittiske induktansen Lp.

Når kun en frakoblingskondensator benyttes, kan det oppstå resonans mellom denne og likestrømskildens induktans, noe som medfører uønsket ringing på likestrømsbussen. En mer robust løsning er å kombinere kondensatoren med en seriekoblet motstand og diode. Dette begrenser resonans ved at energien overført til kondensatoren ikke returnerer til bussen. Diodeelementet forhindrer tilbakestrømning, mens motstanden demper oversvingene. Ulempen ved denne tilnærmingen er den ekstra induktansen introdusert av komponentkoblingen, samt økt effekttap.

Ved høyere effektnivåer benyttes mer sofistikerte løsninger, hvor hver effektbryter i omformeren forsynes med en dedikert Rs–Cs snubber. Kapasitansen bør være minst dobbelt så stor som den parasittiske kapasitansen til bryteren og dens montering. Rs skal kunne føre hele laststrømmen i perioden hvor Cs utlades, og dimensjoneres etter to hovedbetingelser: både spenningsdeling og tidskonstant for utladning. Utladingen bør fullføres innen neste koblingssyklus, som typisk uttrykkes som $R_s = \frac{1}{6 \cdot C_s \cdot f_{sw}}$, hvor $f_{sw}$ er bryterens koblingsfrekvens.

Effekttapet i Rs under utkobling kan uttrykkes som en funksjon av den maksimale kondensatorspenningen og kapasitans, og tilsvarende tap skjer også under innkobling. I et alternativt design kan en diode–motstandskobling benyttes til å dempe hele bussens spenningssvingninger. Dette gir forbedret ytelse, men kostnaden er økt effekttap i snubbermotstanden, hvor tapene er direkte proporsjonale med kvadratet av kondensatorspenningen og kapasitansen.

Ved valg av komponenter for snubberkretser er det essensielt å bruke kondensatorer som tåler høy RMS- og toppstrøm, samt store spenningsendringer over tid (dv/dt). Kommersielt tilgjengelige snubberkondensatorer er utviklet spesielt for disse applikasjonene, med konstruksjoner som minimaliserer intern induktans og tap. De kan leveres både som diskrete enheter eller som moduler monterbare direkte på IGBT-terminaler, slik at terminalinduktansen reduseres.

For å redusere antall komponenter og samle alle snubbertap i én motstand, ble Undeland-snubberkretsen utviklet. Her separeres snubbersystemet fra effekttrinnet mellom koblingssyklene. Overskuddsenergien i systemets induktanser dumpes inn i en snubberkondensator, og overskytende spenning over denne kondensatoren blir dissipert i én enkelt motstand. Denne energien kan også tilbakeføres til likestrømsbussen ved hjelp av regenerative snubberkretser, som gir høyere total virkningsgrad. Dette er spesielt nyttig i systemer med store effekter og tregere komponenter som GTO-tyristorer.

I slike høy-effektsystemer, hvor seks brytere må håndteres samtidig, blir regenerative løsninger nødvendige for å begrense effekttapet. Disse implementeres med spesifikke topologier som muliggjør energigjenvinning, og er særlig nyttige i installasjoner hvor eldre teknologi fortsatt er i bruk, eller i spesialiserte industrielle anlegg.

Et annet viktig prinsipp er resonante snubberkretser. Disse reduserer tap ved å flytte koblingstapene vekk fra halvlederen og inn i passive elementer. Ved å kontrollere stigningshastigheten til strømmen ved innkobling og spenningen ved utkobling, kan slike kretser implementeres med minimal kompleksitet: en enkel serieinduktans ved innkobling og en parallellkondensator ved utkobling. Slike løsninger tilbyr et kompromiss mellom komponentantall, kompleksitet og termisk belastning.

Det som er viktig å forstå i tillegg, er at snubberkretsens rolle ikke er isolert til beskyttelse, men har direkte innvirkning på systemets elektromagnetiske kompatibilitet (EMC), pålitelighet over tid og total virkningsgrad. Feildimensjonerte snubberkretser kan føre til termisk overbelastning, komponenthavari og svekket levetid. Derfor bør utformingen sees som en integrert del av hele omformerens systemarkitektur og ikke som et separat tillegg.