Pagsasama ng Kahusayan ng Inverter Gamit ang Teknolohiyang High-Frequency PWM

Bilang ang pag-aangkin para sa eksaktong kontrol sa industriyal na proseso patuloy na tumataas, ang tradisyonal na Teknolohiya ng Pulse-Width Modulation (PWM) ay nagsisikap na makatugon sa mga pangangailangan para sa mataas na dinamiko at mababang harmonic distortion. Sa kabilang banda, ang high-frequency PWM technology ay nagpapahusay ng kalidad ng output waveform at nagbabawas ng system harmonics sa pamamagitan ng pagtaas ng carrier frequency, kaya't pinapa-optimize ang performance ng mga inverter. Bilang resulta, ang pagbalanse ng sistema ng efisiensiya at reliabilidad sa paggamit ng high-frequency PWM technology ay naging isang mahalagang aspeto sa pag-unlad ng teknolohiya ng inverter.

1. Pundamental na Teorya at Teknikal na Katangian ng High-Frequency PWM

Ang teknolohiya ng PWM ay ang pundamental na teknika na ginagamit sa elektrikal na control systems ng mga inverter upang ma-regulate ang voltage at frequency. Ito ay gumagawa ng mga sequence ng pulso sa pamamagitan ng paghahambing ng reference signals at carrier signals at gumagamit ng mga sequence ng pulso upang kontrolin ang switching states ng mga power devices, kaya't natutugunan ang eksaktong kontrol sa supply ng power sa load. Sa inverter control, ang duty cycle $D$ ng PWM ay maaaring ipahayag sa relasyon sa amplitude ng reference wave VrefVref at ang amplitude ng carrier wave VtriVtri bilang sumusunod:

Ang modulation ratio $m$ ay inilalarawan bilang ang ratio ng amplitude ng reference wave sa amplitude ng carrier wave. Ito ay direktang nakakaapekto sa effective value at harmonic characteristics ng output voltage. Ang expression para sa ratio na ito ay:

Ang carrier frequency fcfc ay tumutukoy sa frequency ng triangular wave na ginagamit upang lumikha ng PWM signal. Ang halaga nito ay direktang nakakaapekto sa dynamic response speed ng sistema at distribution ng output harmonics. Ang frequency ratio $N$ ay inilalarawan bilang ang ratio ng carrier frequency sa reference wave frequency, ipinahayag bilang:

kung saan f1 ang reference wave frequency. Ang high-frequency PWM technology sa pangkalahatan ay tumutukoy sa mga PWM control techniques na may carrier frequency na higit sa 10 kHz. Sa modernong mga inverter, kasama ang patuloy na pag-improve sa performance ng mga power device, ang carrier frequencies ay umabot na sa 20 kHz o mas mataas pa. Sa pamamagitan ng pagtaas ng carrier frequency, ang mga component ng output harmonic ay inililipat sa mas mataas na frequency ranges, na nagbibigay-daan sa susunod na filtering at epektibong nagbabawas ng motor noise at vibration.

Ang mga eksperimento ay nagpapakita na ang pagtaas ng carrier frequency mula 5 kHz hanggang 20 kHz ay maaaring mabawasan ang motor noise ng 12–15 dB at mabawasan ang temperature rise ng 5–8 °C. Habang tumaas ang carrier frequency, ang PWM output waveform ay mas malapit na sumusunod sa ideal na sine wave, at ang Total Harmonic Distortion (THD) ay lubhang nababawasan. Sa carrier frequency na 20 kHz, ang THD ng inverter output voltage ay bumaba hanggang humigit-kumulang 5%, na mas mahusay kumpara sa 8%–12% na typical ng low-frequency PWM techniques. Bukod dito, ang high-frequency PWM ay nagbibigay ng mga benepisyo tulad ng mas mabilis na dynamic response at mas mataas na control accuracy.

2. Mahalagang Hamon sa Pag-implemento ng High-Frequency PWM at Kanilang Solusyon

2.1 Mataas na Switching Losses at Paraan ng Pagbawas

Ang pinaka-prominent na isyu sa high-frequency PWM technology ay ang malubhang pagtaas ng switching losses. Dahil ang switching losses ng mga power device ay proporsyonal sa switching frequency, ang high-frequency operation ay nagdudulot ng pagbaba ng system efficiency at taas na demand sa thermal management. Ang switching loss PswPsw ng single Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT) module ay maaaring imodelo bilang sumusunod:

kung saan E_on at E_off ang turn-on at turn-off energy losses, respectively; ErrErr ang reverse recovery energy; VdcVdc ang aktwal na DC bus voltage; V_ref ang reference voltage; Ic ang aktwal na current; at IrefIref ang reference current.

Upang supilin ang switching losses, ang mga sumusunod na paraan ay maaaring gamitin:
Una, gamitin ang advanced power devices tulad ng Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (SiC MOSFETs), na nagbibigay ng mas mahusay na switching characteristics kumpara sa conventional IGBTs;
Pangalawa, i-optimize ang gate driver circuit design sa pamamagitan ng paggamit ng dual-slope drive techniques upang dinamically ayusin ang gate resistance sa panahon ng switching transitions, kaya't binabalanse ang switching speed at electromagnetic interference (EMI);
Huli, i-implement ang soft-switching techniques, tulad ng zero-voltage switching (ZVS) o zero-current switching (ZCS) topologies, upang lubhang mabawasan ang switching losses.

2.2 Dead-Time Effect at mga Teknikang Compensation

Sa ilalim ng high-frequency PWM operation, bagama't ang absolute dead-time ay nananatiling constant, ang proporsyon nito sa relative sa switching period ay tumataas, kaya't mas napapansin ang dead-time effect. Ito ay maaaring magresulta sa distortion ng output voltage, pagbagsak ng low-speed performance, at pagtaas ng torque ripple. Upang epektibong mapabuti ang mga isyu na ito, ang mga dead-time compensation algorithms ay ginagamit, ipinahayag bilang:

3 FPGA-Based Implementation Scheme for High-Frequency PWM Technology

3.1 System Architecture Design

Ang high-frequency PWM control ay nagbibigay ng mas mataas na demand sa real-time performance at control precision ng computing platforms. Ang traditional Digital Signal Processors (DSPs) madalas namumuhunan sa mga limitasyon tulad ng hindi sapat na computational power at significant interrupt latency sa pag-implemento ng high-frequency PWM. Sa kabilang banda, ang Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) ay mas angkop para sa ganitong aplikasyon dahil sa kanilang parallel processing capabilities at hardware-level implementation flexibility.

Ang kabuuang architecture ng FPGA-based high-frequency PWM control system ay binubuo ng apat na core modules: ang main control unit, ang PWM generation unit, ang feedback signal processing unit, at ang protection unit. Khususan:

• Main Control Unit: Nagpapatupad ng closed-loop control algorithms tulad ng speed, current, at position loops;

• PWM Generation Unit: May responsibilidad sa paggawa ng high-precision PWM waveforms at pag-manage ng dead-time control;

• Feedback Signal Processing Unit: Naghandle ng acquisition at preprocessing ng mga signal tulad ng current, voltage, at position;

• Protection Unit: Nadetect at tumutugon sa mga fault tulad ng overcurrent, overvoltage, at overtemperature upang matiyak ang seguridad ng sistema.

Ang sistema ay gumagamit ng modular design, kung saan ang functional modules ay konektado sa pamamagitan ng standardized interfaces. Sa loob, ang FPGA ay gumagamit ng dual-clock-domain architecture: ang control algorithms ay nag-ooperate sa lower-frequency clock domain upang bawasan ang resource consumption, habang ang PWM generation module ay tumatakbo sa high-frequency clock domain upang matiyak ang precise timing at high resolution.

3.2 Optimization at Implementation ng PWM Control Algorithm

Upang matamo ang high-performance high-frequency PWM control, ang conventional Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) algorithm ay na-optimize sa pamamagitan ng pag-introduce ng improved PWM control algorithm, ipinahayag bilang:

kung saan TaTa ang conduction time ng upper leg ng Phase A; vαvα at vβvβ ang components ng reference voltage sa $\&\alpha ;\text{-}\&\beta ;$ coordinate system. Ang algorithm na ito ay na-implement sa FPGA gamit ang pipelined architecture, na nag-transform ng complex trigonometric computations sa simple linear operations. Ito ay lubhang nabinabawasan ang computational latency at nagbibigay ng single-cycle execution. Upang i-optimize ang dead-time control, ang adaptive dead-time compensation strategy ay tinanggap.

3.3 System Performance Testing at Analysis

Upang i-evaluate ang superiority ng proposed high-frequency PWM implementation scheme (hereinafter referred to as the "proposed scheme"), ito ay ikokompara sa conventional DSP-based implementation (hereinafter referred to as the "conventional scheme"). Ang test platform ay itinayo sa Xilinx Artix-7 FPGA at TMS320F28379D DSP, gamit ang identical power-level circuit topologies at power modules (1200 V/50 A SiC MOSFET). Ang mga performance metrics ay kinabibilangan ng output voltage Total Harmonic Distortion (THD), dynamic response time, power factor, at system efficiency. Ang bawat test ay inulit tatlong beses, at ang mga resulta ay in-average upang matiyak ang reliability.

Tulad ng ipinakita sa Table 1, ang proposed scheme ay nagpapakita ng malaking advantage kumpara sa conventional scheme sa karamihan ng mga metric: ang output voltage THD ay binalikan mula 8.63% hanggang 5.33%, isang 38.2% improvement; ang dynamic response time ay bumaba mula 428 μs hanggang 245 μs, isang 42.5% reduction; at ang power factor ay tumaas mula 0.91 hanggang 0.98. Bagama't ang system efficiency ay tumaas lamang ng 0.1%, ang marginal gain na ito ay parin may kahalagahan dahil sa mataas na baseline efficiency na higit sa 92%.

Ang feasibility ng proposed scheme sa iba't ibang kondisyon ng load ay mas lalo pang itest, at ang mga resulta ay ipinakita sa Table 2. Ang mga test ay nagsasakop ng resistive, inductive, at motor loads. Ang mga resulta ay nagpapakita na ang proposed scheme ay nagpapanatili ng stable performance sa lahat ng uri ng load: ang variation sa output voltage THD ay lang 0.47%, na nagpapakita ng excellent robustness ng control algorithm; ang switching losses ay nai-maintain sa pagitan ng 125 W at 138 W, na may fluctuation na lang 10.4%, na nagpapakita ng effective power management; at ang temperature rise ay nai-keep sa pagitan ng 41–45 °C, na nagpapatunay ng superior thermal stability.

4 Conclusion

Ang high-frequency PWM technology ay isang key enabler para sa pagpapahusay ng performance ng inverter, ngunit ang pag-implemento nito sa electrical control systems ay nakakaharap sa maraming teknikal na hamon. Ang paper na ito ay tumutugon sa critical issues tulad ng high-frequency switching losses, dead-time effects, at driver circuit design sa pamamagitan ng pag-propose ng systematic solutions at pag-present ng isang FPGA-based implementation framework.

Ang proposed scheme ay nagbibigay ng mataas na precision, mababang latency, at malakas na real-time performance, na epektibong nagpapahusay ng parehong dynamic response at steady-state accuracy. Ang research na ito ay nagbibigay ng solid technical support para sa high-performance inverter control at may malawak na application potential sa mga larangan tulad ng industrial automation, renewable energy generation, at electric vehicles.