उच्च आवृत्ति PWM प्रौद्योगिकी साथ इन्वर्टर की प्रदर्शन में सुधार

सूचीप्रणाली तथा उद्योग प्रक्रियाहरूमा निर्दिष्ट नियन्त्रणको माग बढ्दै गएको समयमा, पारम्परिक पल-विस्तार मोडुलेशन (PWM) प्रविधि उच्च डाइनेमिक प्रदर्शन र कम अनुनादी विकृति आवश्यकताहरू पूरा गर्न सकिँदैन। विपरीत, उच्च आवृत्ति PWM प्रविधि ले वहन आवृत्ति बढाउँदै आउटपुट तरंग रूपको गुणस्तर बढाउँदै र प्रणालीको अनुनादीहरूलाई घटाउँदै इन्वर्टरहरूको प्रदर्शन अनुकूलित गर्छ। यसैले, उच्च आवृत्ति PWM प्रविधि लाई लागू गर्दा प्रणालीको दक्षता र विश्वसनीयता बीच एक संतुलन बनाउने इन्वर्टर प्रविधि विकासको एक महत्त्वपूर्ण पक्ष बनेको छ।

१. उच्च आवृत्ति PWMको आधारभूत सिद्धान्त र तकनीकी विशेषताहरू

PWM प्रविधि इन्वर्टरहरूको विद्युत नियन्त्रण प्रणालीहरूमा वोल्टेज र आवृत्ति नियन्त्रण गर्ने मुख्य प्रविधि हो। यसले रेफरेन्स सिग्नलहरूलाई वहन सिग्नलहरूसँग तुलना गरेर पल श्रृंखला उत्पन्न गर्छ र यी पल श्रृंखलाले शक्ति उपकरणहरूको स्विचिङ अवस्थाहरू नियन्त्रण गर्छ, यसरी भारलाई शक्ति आपूर्ति नियन्त्रण गरिन्छ। इन्वर्टर नियन्त्रणमा, PWMको ड्यूटी चक्र $D$ रेफरेन्स तरंग आयाम VrefVref र वहन तरंग आयाम VtriVtri बीचको सम्बन्ध निम्नानुसार व्यक्त गरिन्छ:

मोडुलेशन अनुपात $m$ रेफरेन्स तरंग आयाम र वहन तरंग आयामको अनुपातको रूपमा परिभाषित गरिन्छ। यो आउटपुट वोल्टेजको प्रभावी मान र अनुनादी विशेषताहरूलाई प्रत्यक्ष रूपमा प्रभाव दिन्छ। यस अनुपातको व्यक्तित्व निम्नानुसार छ:

वहन आवृत्ति fcfc PWM सिग्नल उत्पन्न गर्न उपयोग गरिने त्रिकोणीय तरंगको आवृत्तिको बारेमा छ। यसको मान प्रणालीको डाइनेमिक प्रतिक्रिया गति र आउटपुट अनुनादीहरूको वितरणमा प्रत्यक्ष रूपमा प्रभाव दिन्छ। आवृत्ति अनुपात $N$ वहन आवृत्ति र रेफरेन्स तरंग आवृत्तिको अनुपातको रूपमा परिभाषित गरिन्छ, यसको व्यक्तित्व निम्नानुसार छ:

जहाँ f1 रेफरेन्स तरंग आवृत्ति हो। उच्च आवृत्ति PWM प्रविधि सामान्यतया 10 kHz भन्दा बढी वहन आवृत्ति भएको PWM नियन्त्रण प्रविधिहरूलाई बोलिन्छ। आधुनिक इन्वर्टरहरूमा, शक्ति उपकरणहरूको प्रदर्शन लगातार सुधार भएको रूपमा, वहन आवृत्तिहरू 20 kHz वा त्यो भन्दा बढी पुगेका छन्। वहन आवृत्ति बढाउँदै, आउटपुट अनुनादी घटकहरू उच्च आवृत्ति रेखामा लिफ्ट गरिन्छ, जसले अन्तर्निमित्त फिल्टरिङ र अन्तर्निमित्त एफिक्टिभ रूपमा मोटर शब्द र झटका घटाउन मद्दत गर्छ।

प्रयोगहरूले देखाउँछन् कि 5 kHz बाट 20 kHz सम्म वहन आवृत्ति बढाउँदा मोटर शब्द 12–15 dB घट्न सकिन्छ र तापक्रम वृद्धि 5–8 °C घट्न सकिन्छ। वहन आवृत्ति बढ्दा, PWM आउटपुट तरंग आदर्श साइन तरंगको अगाडि अगाडि अनुरूप बन्छ र कुल अनुनादी विकृति (THD) ठूलो रूपमा घट्छ। 20 kHz वहन आवृत्तिमा, इन्वर्टर आउटपुट वोल्टेजको THD लगभग 5% घट्छ, जुन निम्न आवृत्ति PWM प्रविधिहरूको 8%–12% भन्दा बहुत राम्रो छ। अत्यन्त, उच्च आवृत्ति PWM ले त्वरित डाइनेमिक प्रतिक्रिया र उच्च नियन्त्रण योग्यता जस्ता फाइदा दिन्छ।

२. उच्च आवृत्ति PWM लाई लागू गर्ने मुख्य चुनौतीहरू र उनीहरूको समाधानहरू

२.१ उच्च स्विचिङ नुक्सान र नियन्त्रण विधिहरू

उच्च आवृत्ति PWM प्रविधिको सबैभन्दा उल्लेखनीय समस्या उच्च स्विचिङ नुक्सान बढ्न हो। यदि शक्ति उपकरणहरूको स्विचिङ नुक्सान स्विचिङ आवृत्तिको समानुपाती हुन्छ, उच्च आवृत्ति कार्यान्वयनले प्रणालीको दक्षता घटाउँदै र थर्मल नियन्त्रणको लागि बढी आवश्यकता बनाउँदै छ। एकल इन्सुलेटेड-गेट बिपोलार ट्रान्जिस्टर (IGBT) मॉड्यूलको स्विचिङ नुक्सान PswPsw निम्नानुसार मॉडल गरिन सकिन्छ:

जहाँ E_on र E_off क्रमशः टर्न-ऑन र टर्न-ऑफ ऊर्जा नुक्सानहरू हुन्छन्; ErrErr रिवर्स रिकवरी ऊर्जा हो; VdcVdc वास्तविक DC बस वोल्टेज हो; V_ref रेफरेन्स वोल्टेज हो; Ic वास्तविक विद्युत हो; र IrefIref रेफरेन्स विद्युत हो।

स्विचिङ नुक्सान नियन्त्रण गर्न, निम्न उपायहरू लामो गरिन सकिन्छ:
पहिलो, परमाण्विक कार्बन धातु धातु-आक्साइड फिल्ड-इफेक्ट ट्रान्जिस्टर (SiC MOSFETs) जस्ता उन्नत शक्ति उपकरणहरू प्रयोग गर्न, जसले पारम्परिक IGBT भन्दा उत्तम स्विचिङ विशेषताहरू दिन्छ;
दोस्रो, गेट ड्रायवर परिपथ डिजाइनलाई उन्नत गर्न, दुई-ढाल ड्रायविङ तकनीक लामो गर्न, जसले स्विचिङ परिवर्तनको समयमा गेट प्रतिरोध डायनामिक रूपमा समायोजन गर्छ, यसरी स्विचिङ गति र विद्युत चुम्बकीय हस्ताक्षेप (EMI) बीच सन्तुलन बनाउँदछ;
अन्तिम, शून्य-वोल्टेज स्विचिङ (ZVS) वा शून्य-विद्युत स्विचिङ (ZCS) टोपोलोजी जस्ता मान्य स्विचिङ तकनीकहरू लामो गर्न, जसले स्विचिङ नुक्सान ठूलो रूपमा घटाउँदछ।

२.२ डेड-टाइम प्रभाव र उनीहरूको समाधान तकनीकहरू

उच्च आवृत्ति PWM कार्यान्वयनमा, यद्यपि निरपेक्ष डेड-टाइम स्थिर रहन्छ, यसको अनुपात स्विचिङ अवधिको बाट बढ्छ, जसले डेड-टाइम प्रभावलाई अधिक प्रत्यक्ष बनाउँदछ। यसले आउटपुट वोल्टेज विकृति, निम्न-गति प्रदर्शन र बल झटकाको वृद्धि ल्याउँदछ। यी समस्याहरूलाई प्रभावी रूपमा नियन्त्रण गर्न, डेड-टाइम समाधान अल्गोरिथमहरू लामो गरिन्छ, जसको व्यक्तित्व निम्नानुसार छ:

३ FPGA आधारित उच्च आवृत्ति PWM प्रविधिको कार्यान्वयन योजना

३.१ प्रणाली आर्किटेक्चर डिजाइन

उच्च आवृत्ति PWM नियन्त्रण गणना प्लेटफार्मको वास्तविक समय र नियन्त्रण योग्यतामा उच्च आवश्यकता राख्छ। पारम्परिक डिजिटल सिग्नल प्रोसेसरहरू (DSP) उच्च आवृत्ति PWM लाई लागू गर्दा गणना शक्ति र बाह्याक्रम लेटेन्सी निम्न रहने कारण अक्सर सीमित छन्। विपरीत, फील्ड-प्रोग्रामिङ गेट एर्रे (FPGA) ले समानान्तर गणना शक्ति र हार्डवेयर लेवल लागू गर्ने विविधता र फ्लेक्सिबिलिटीको कारण यी अनुप्रयोगहरूको लागि बेहतर उपयुक्त छन्।

FPGA आधारित उच्च आवृत्ति PWM नियन्त्रण प्रणालीको कुल आर्किटेक्चर चार मुख्य मॉड्यूलहरू समावेश गर्छ: मुख्य नियन्त्रण युनिट, PWM उत्पादन युनिट, प्रतिक्रिया सिग्नल विकास युनिट, र सुरक्षा युनिट। विशेष रूपमा:

• मुख्य नियन्त्रण युनिट: गति, विद्युत, र स्थान लूप जस्ता बन्द लूप नियन्त्रण अल्