Povečevanje zmogljivosti inverterja z visoko-frekvenčno PWM tehnologijo

Kot povpraševanje po točnem nadzoru v industrijskih procesih še naprej narašča, tradicionalna tehnologija širinsko-moduliranega impulza (PWM) težko zadošča zahtevam po visoki dinamični učinkovitosti in nizkem harmoničnemu odmevu. V nasprotju s tem tehnologija visoko frekvenčnega PWM izboljša kakovost izhodnega valovanja in zmanjša sistemski harmonike z povečanjem nosilne frekvence, s tem optimizira delovanje inverterjev. Tako je bil postavljen vzajemni odnos med učinkovitostjo sistema in zanesljivostjo pri uporabi tehnologije visoko frekvenčnega PWM ključni vidik razvoja tehnologije inverterjev.

1. Osnovna teorija in tehnični značilnosti visoko frekvenčnega PWM

Tehnologija PWM je osnovna tehnika, uporabljena v električnih kontrolnih sistemih inverterjev za regulacijo napetosti in frekvence. Ustvarja zaporedja impulzov z primerjanjem referenčnih signalov z nosilnimi signalami in uporablja ta zaporedja impulzov za nadzor stanj preklopnih naprav, s tem doseže točen nadzor nad snabdevanjem z električno energijo. Pri kontroli inverterja se dolžina impulza $D$ PWM-a lahko izrazi v odvisnosti od amplitude referenčnega valovanja VrefVref in amplitude nosilnega valovanja VtriVtri kot sledi:

Modulacijsko razmerje $m$ je definirano kot razmerje med amplitudo referenčnega valovanja in amplitudo nosilnega valovanja. Direktne vpliva na učinkovito vrednost in harmonične značilnosti izhodne napetosti. Izraz za to razmerje je:

Nosilna frekvenca fcfc se nanaša na frekvenco trikotnega valovanja, ki se uporablja za generiranje signala PWM. Njena vrednost neposredno vpliva na hitrost dinamičnega odziva sistema in porazdelitev izhodnih harmonik. Frekvenčno razmerje $N$ je definirano kot razmerje med nosilno frekvenco in frekvenco referenčnega valovanja, izraženo kot:

kjer je f1 frekvenca referenčnega valovanja. Tehnologija visoko frekvenčnega PWM običajno nanaša na tehnike nadzora PWM z nosilno frekvenco, ki presega 10 kHz. V sodobnih inverterjih, z neustanim izboljševanjem zmogljivosti preklopnih naprav, so nosilne frekvence dosegale 20 kHz ali celo višje. Z povečanjem nosilne frekvence se komponente izhodnih harmonik premaknejo v višje frekvenčne območja, kar olajša kasnejšo filtriranje in učinkovito zmanjša hrup in vibracije motorja.

Prikazi kažejo, da se z povečanjem nosilne frekvence od 5 kHz na 20 kHz hrup motorja zmanjša za 12–15 dB in temperaturno povišanje za 5–8 °C. S povečanjem nosilne frekvence se izhodni valovalni oblik PWM približuje idealnemu sinusnemu valovanju, in skupni harmonični odmev (THD) je bistveno zmanjšan. Pri nosilni frekvenci 20 kHz THD izhodne napetosti inverterja pada na približno 5%, kar je znatno bolje od 8%–12%, tipičnega za tehnike nizko frekvenčnega PWM. Poleg tega ponuja visoko frekvenčni PWM prednosti, kot so hitrejši dinamični odziv in višja natančnost nadzora.

2. Ključni izzivi pri izvajanju visoko frekvenčnega PWM in njihove rešitve

2.1 Visoke preklopne izgube in metode za njihovo zmanjšanje

Najpomembnejši problem pri uporabi tehnologije visoko frekvenčnega PWM je oster naraštaj preklopnih izgub. Ker so preklopne izgube preklopnih naprav sorazmerne s frekvenco preklapanja, visokofrekvenčno delovanje vodi do zmanjšane učinkovitosti sistema in večjih zahtev glede termalnega upravljanja. Preklopne izgube PswPsw enega modula izoliranih bramovskih dvopolarnih tranzistorjev (IGBT) se lahko modelirajo kot sledi:

kjer so E_on in E_off energijske izgube pri vklopovanju in izklopovanju, ErrErr je obratna energija obnavljanja; VdcVdc je dejanska DC bus napetost; V_ref je referenčna napetost; Ic je dejanski tok; in IrefIref je referenčni tok.

Za zmanjšanje preklopnih izgub se lahko uporabijo naslednje ukrepi:
Prvi, uporaba naprednih preklopnih naprav, kot so polprevodniški kremnik metal-oksidski polprevodniški polprevodniški tranzistorji (SiC MOSFET), ki ponujajo boljše preklopne značilnosti v primerjavi z konvencionalnimi IGBT;
Drugi, optimizacija oblikovanja vezja pogona vrata z uporabo tehnike dvojnega nagiba, ki omogoča dinamično prilagajanje upornosti vrata med preklopi, s tem pa uravnava hitrost preklopa in elektromagnetno motnjo (EMI);
Nazadnje, implementacija tehnik mehkega preklapanja, kot so topologije z ničelno napetostjo (ZVS) ali ničelnim tokom (ZCS), za bistveno zmanjšanje preklopnih izgub.

2.2 Učinek mrtvega časa in tehnike kompenzacije

Pri visoko frekvenčnem delovanju PWM, čeprav absolutni mrtvi čas ostane nespremenjen, njegova proporcija v odnosu do časa preklapa narašča, kar pomeni, da je učinek mrtvega časa bolj izražen. To lahko vodi do izkrivljanja izhodne napetosti, slabšanja delovanja pri nizkih hitrostih in povečanja oscilacij vznemirljivega momenta. Za učinkovito zmanjšanje teh problemov se uporabljajo algoritmi kompenzacije mrtvega časa, izraženi kot:

3 Implementacijski načrt visoko frekvenčne tehnologije PWM na bazi FPGA

3.1 Oblikovanje arhitekture sistema

Visoko frekvenčni nadzor PWM postavlja višje zahteve glede realnega časa in natančnosti nadzora računalniških platform. Tradicionalni digitalni signalni procesorji (DSP) pogosto soočajo z omejitvami, kot so nedostatek računskih možnosti in veliki latenci prekinitev pri izvajanju visoko frekvenčnega PWM. V nasprotju s tem so polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodniški polprevodni......