A széles sávú PWM technológia segítségével történő inverter teljesítmény javítása

Ahogy a precíz irányítás igénye az ipari folyamatokban folyamatosan nő, a hagyományos PWM (Pulse-Width Modulation) technológia egyre nehezebben teljesíti a magas dinamikai teljesítmény és alacsony harmónikus torzítás követelményeit. Ezzel szemben a magas frekvenciájú PWM technológia javítja a kimeneti hullámforma minőségét, és csökkenti a rendszer harmónikus komponenseit a viszonyítófrekvencia emelésével, így optimalizálva az inverterek teljesítményét. Ennek eredményeként a magas frekvenciájú PWM technológia alkalmazásakor a rendszer hatékonyságának és megbízhatóságának egyensúlyozása vált kiemelt fontosságúvá az inverter technológiák fejlődésében.

1. A Magas Frekvenciájú PWM Alap Elmélete és Technikai Jellemzői

A PWM technológia az inverterek elektromos irányítási rendszereinek központi technikája, amely a feszültség és a frekvencia szabályozására használatos. Pulse sorozatokat generál a referenciás jel és a viszonyító jel összehasonlításával, és ezeket a pulse sorozatokat használja a hatáskörnyezetbe épített energiaellátás pontos irányításához. Az inverter irányításban a PWM időarány $D$ a referenciavállal VrefVref és a viszonyító frekvenciával VtriVtri kapcsolatában kifejezhető a következőképpen:

A modulációs arány $m$ a referenciaváll és a viszonyító frekvencia arányaként definiálható. Ez közvetlenül befolyásolja a kimeneti feszültség határértékét és harmónikus jellemzőit. Az arány kifejezése a következő:

A viszonyító frekvencia fcfc a háromszög alakú hullám frekvenciáját jelenti, amely a PWM jel generálásához használt. Értéke közvetlenül befolyásolja a rendszer dinamikus reagálási sebességét és a kimeneti harmónikus komponensek eloszlását. A frekvencia arány $N$ a viszonyító frekvencia és a referenciaváll frekvenciák arányaként definiálható, a következőképpen:

ahol f1 a referenciaváll frekvenciája. A magas frekvenciájú PWM technológia általában olyan PWM irányítási technikákat jelent, amelyek viszonyítófrekvenciája 10 kHz-nál nagyobb. A modern inverterekben a hatáskörnyezetek teljesítményének folyamatos fejlesztésével a viszonyítófrekvenciák 20 kHz vagy még magasabb szintre értek. A viszonyítófrekvencia emelése révén a kimeneti harmónikus komponensek eltolódnak a magasabb frekvenciaterületre, ami segít a későbbi szűrésnek, és hatékonyan csökkenti a motor zaját és rezgései.

Kísérletek szerint a viszonyítófrekvencia 5 kHz-ról 20 kHz-ra való emelése 12–15 dB-vel csökkentheti a motor zaját, és 5–8 °C-al csökkentheti a hőmérséklet-emelkedést. A viszonyítófrekvencia növekedésével a PWM kimeneti hullámformája egyre inkább megközelíti a tökéletes szinusz hullámot, és a Teljes Harmónikus Törzést (THD) jelentősen csökkentheti. 20 kHz viszonyítófrekvencián a THD az inverter kimeneti feszültségén 5% körüli értékre esik, ami jelentősen jobb, mint a 8%–12% közötti, a magas frekvenciájú PWM technikáknál tipikus értékek. Továbbá, a magas frekvenciájú PWM gyorsabb dinamikus reagálást és magasabb irányítási pontosságot is kínál.

2. A Magas Frekvenciájú PWM Implementálásának Kritikus Kihívásai és Megoldásai

2.1 Magas Átkapcsolási Veszteségek és Csökkentési Módszerek

A magas frekvenciájú PWM technológia legjelentősebb problémája a jelentős átkapcsolási veszteségek növekedése. Mivel a hatáskörnyezetek átkapcsolási veszteségei arányosak a kapcsolási frekvenciával, a magas frekvenciájú működés csökkenti a rendszer hatékonyságát, és növeli a hőmenedzsmentre vonatkozó követelményeket. Egyetlen izolált kapcsolójú bipoláris tranzisztor (IGBT) modul átkapcsolási vesztesége a következőképpen modellezhető:

ahol E_on és E_off a bekapcsolási és kikapcsolási energiaveszteségek, ErrErr a visszafelé helyreállítási energia, VdcVdc a tényleges DC buszfeszültség, V_ref a referenciaváll, Ic a tényleges áram, és IrefIref a referenciáram.

Az átkapcsolási veszteségek csökkentéséhez a következő intézkedések vehetők:
Először is, haladó országú hatáskörnyezetek, mint például a szilícium-karbide fémes-oxid-szemi-hidrát (SiC MOSFET), használhatók, melyek jobb kapcsolási jellemzőket mutatnak, mint a hagyományos IGBT-ek;
Másodszor, a kapcsoló vezérlő kör optimalizálása, a kétkötélű vezérlési technikák használatával, amelyek dinamikusan állítják a kapcsoló ellenállást a kapcsolási átmenetek során, ezzel egyensúlyba hozva a kapcsoló sebességet és a rádiózavar (EMI);
Végül, a lágy kapcsoló technikák, mint például a zéró-feszültségű kapcsoló (ZVS) vagy a zéró-áramerősségű kapcsoló (ZCS) topológiák, jelentősen csökkenthetik az átkapcsolási veszteségeket.

2.2 A Halott Idő Hatása és Kompenzációs Technikák

A magas frekvenciájú PWM működés mellett, bár az abszolút halott idő állandó marad, annak aránya a kapcsolási időhöz képest nő, ami a halott idő hatását erőteljesebbé teszi. Ez vezethet kimeneti feszültség torzításához, rosszabb alacsony sebességi teljesítményhez, és növekedő nyomaték rippléshez. A problémák hatékony kezelése érdekében a halott idő kompenzációs algoritmusokat alkalmaznak, melyek a következőképpen fejezhetők ki:

3 FPGA Alapú Implementálási Sémák a Magas Frekvenciájú PWM Technológiához

3.1 Rendszer Architektúra Tervezése

A magas frekvenciájú PWM irányítás magasabb követelményeket támaszt a számítási platformok valós idejű teljesítményére és irányítási pontosságára. A hagyományos DSP (Digital Signal Processors) gyakran korlátozott számítási kapacitással és jelentős megszakítási latenciával néz szembe a magas frekvenciájú PWM implementálás során. Ezzel szemben, a Mezőprogramozható Kapcsoló Arányítók (FPGA-k) párhuzamos feldolgozási képességei és hardver szintű implementációs rugalmassága miatt jobban alkalmasak erre a feladatra.

Az FPGA alapú magas frekvenciájú PWM irányítási rendszer általános architektúrája négy alapmodult tartalmaz: a fő irányító egységet, a PWM generáló egységet, a visszacsatolási jel feldolgozó egységet, és a védelmi egységet. Kifejezetten:

• Fő Irányító Egység: Zárt hurok irányítási algoritmusokat, mint például a sebesség, áram, és pozíció hurokot, hajtja végre;

• PWM Generáló Egység: Felelős a magas pontosságú PWM hullámformák generálásáért és a halott idő irányításáért;

• Visszacsatolási Jel Feldolgozó Egység: Kezeli az áram, feszültség, és pozíció jel adatgyűjtését és előfeldolgozását;

• Védelmi Egység: Felfedezi és reagál a túlmelegedés, túlfeszültség, és túlmelegedés hibákra, hogy biztosítsa a rendszer biztonságát.

A rendszer moduláris tervezés alapján működik, a funkcionális modulok standard interfészekkel vannak összekapcsolva. Belsőleg, az FPGA két órajel doménummal működik: az irányítási algoritmusok alacsonyabb frekvenciájú órajel doménben futnak, hogy csökkentsék az erőforrás-használatot, míg a PWM generáló modul magas frekvenciájú órajel doménben működik, hogy biztosítja a pontos időzítést és a magas felbontást.

3.2 PWM Irányítási Algoritmus Optimalizálása és Implementálása

A magas teljesítményű, magas frekvenciájú PWM irányítás elérése érdekében a hagyományos térvektor alapú PWM (SVPWM) algoritmust optimalizáljuk, bevezetve egy javított PWM irányítási algoritmust, mely a következőképpen fejezhető ki:

ahol TaTa a Fázis A felső ág vezetési ideje; vαvα és vβvβ a referenciaváll α-β koordinátarendszerbeli komponensei. Ez az algoritmus pipelined architektúrával van implementálva az FPGA-ban, amely a bonyolult trigonometriai számításokat egyszerű lineáris műveletekre alakítja. Ez jelentősen csökkenti a számítási latenciát, és lehetővé teszi a egy ciklusos végrehajtást. A halott idő irányítás optimalizálása érdekében adaptív halott idő kompenzációs stratégia alkalmazásra kerül.

3.3 Rendszer Teljesítmény Tesztelése és Analízise

A javasolt magas frekvenciájú PWM implementálási sémának (innen kezdve "javasolt sémának") előnyeinek kiértékelése érdekében összehasonlítást végezünk egy hagyományos DSP alapú implementációval (innen kezdve "hagyományos sémának"). A tesztplatform egy Xilinx Artix-7 FPGA és egy TMS320F28379D DSP alapján épült, azonos hatalmi szintű áramkörökkel és hatáskörnyezetekkel (1200 V/50 A SiC MOSFET). A teljesítményi metrikák közé tartozik a kimeneti feszültség teljes harmónikus torzítása (THD), a dinamikus reagálási idő, a teljesítményfaktor, és a rendszer hatékonysága. Minden teszt háromszor ismétlődött, és az eredmények átlagosításra kerültek a megbízhatóság biztosítása érdekében.

Ahogyan az 1. táblázatban látható, a javasolt séma jelentős előnyöket mutat a hagyományos sémának a legtöbb metrika tekintetében: a kimeneti feszültség THD-je 8,63%-ról 5,33%-ra csökkent, 38,2%-kal való javulással; a dinamikus reagálási idő 428 μs-ról 245 μs-ra csökkent, 42,5%-kal való csökkenéssel; és a teljesítményfaktor 0,91-ről 0,98-ra emelkedett. Bár a rendszer hatékonysága csak 0,1%-kal javult, ez a marginális növekedés továbbra is jelentős, mivel a már magas alapvető hatékonyság 92%-nál is magasabb.

A javasolt sémának a változó terhelési feltételek közötti megfelelősségét további tesztekkel vizsgálták, melyek eredményei a 2. táblázatban láthatók. A tesztek tartalmazták a ellenálló, induktív, és motorterhelés eseteket. Az eredmények azt mutatják, hogy a javasolt sémának stabil teljesítménye van minden terhelési típuson: a kimeneti feszültség THD-je csak 0,