Yüksek Frekanlı PWM Teknolojisi ile Inverter Performansının Geliştirilmesi
Endüstriyel süreçlerde hassas kontrol talebinin artmasıyla birlikte, geleneksel Genişlik Modülasyonu (PWM) teknolojisi yüksek dinamik performans ve düşük harmonik bozulma gereksinimlerini karşılamada zorlanmaktadır. Buna karşılık, yüksek frekanlı PWM teknolojisi taşıyıcı frekansı artırarak çıkış dalga formunun kalitesini geliştirir ve sistem harmoniklerini azaltır, bu da inverterlerin performansını optimize eder. Sonuç olarak, yüksek frekanlı PWM teknolojisini uygularken sistem verimliliği ve güvenilirliği arasındaki denge, inverter teknolojisi geliştirme sürecinde kritik bir yön haline gelmiştir.
1. Yüksek Frekanlı PWM'nin Temel Teorisi ve Teknik Özellikleri
PWM teknolojisi, inverterlerin elektrik kontrol sistemlerinde voltaj ve frekansı düzenlemek için kullanılan temel tekniktir. Referans sinyalleri taşıyıcı sinyallerle karşılaştırarak pulssal diziler oluşturur ve bu pulssal dizileri güç cihazlarının anahtarlama durumlarını kontrol etmek için kullanır, böylece yük üzerindeki güç sağlamasına hassas kontrol sağlar. Inverter kontrollerinde, PWM'nin döngü doluluğu D, referans dalga amplitudü Vref ve taşıyıcı dalga amplitudü Vtri ile aşağıdaki gibi ifade edilebilir:
Modülasyon oranı m, referans dalga amplitudünün taşıyıcı dalga amplitudüne oranıdır. Bu oran, çıkış voltajının etkin değerini ve harmonik özelliklerini doğrudan etkiler. Bu oranın ifadesi şöyledir:
Taşıyıcı frekans fc, PWM sinyali oluşturmak için kullanılan üçgen dalganın frekansıdır. Değeri, sistemin dinamik yanıt hızını ve çıkış harmoniklerinin dağılımını doğrudan etkiler. Frekans oranı N, taşıyıcı frekansın referans dalga frekansına oranıdır ve şu şekilde ifade edilir:
burada referans dalga frekansıdır. Yüksek frekanlı PWM teknoloji genellikle taşıyıcı frekansının 10 kHz'yi aşan PWM kontrol tekniklerini ifade eder. Modern inverterlerde, güç cihazları performansındaki sürekli iyileştirmelerle birlikte, taşıyıcı frekanslar 20 kHz veya daha yükseğe ulaşmıştır. Taşıyıcı frekansın artırılması, çıkış harmonik bileşenlerini daha yüksek frekans aralıklarına kaydırır, bu da sonraki filtreleme işlemlerini kolaylaştırır ve motor gürültüsünü ve titreşimini etkili bir şekilde azaltır.
Deneyler göstermiştir ki, taşıyıcı frekansın 5 kHz'den 20 kHz'ye artırılması, motör gürültüsünü 12-15 dB'ye indirir ve sıcaklık artışını 5-8 °C'ye düşürür. Taşıyıcı frekansın artmasıyla birlikte, PWM çıkış dalga formu ideal sinüzoyale daha yaklaşırlar ve Toplam Harmonik Bozulma (THD) önemli ölçüde azalır. 20 kHz taşıyıcı frekansında, inverter çıkış voltajının THD'si yaklaşık 5% seviyesine düşer, bu da düşük frekanlı PWM tekniklerinin tipik 8%-12% değerlerinden çok daha iyidir. Ayrıca, yüksek frekanlı PWM, daha hızlı dinamik yanıt ve daha yüksek kontrol doğruluğu gibi avantajlar sunar.
2. Yüksek Frekanlı PWM'nin Uygulanmasındaki Ana Zorluklar ve Çözüm Yöntemleri
2.1 Yüksek Anahtarlama Kayıpları ve Azaltma Yöntemleri
Yüksek frekanlı PWM teknolojisinin en belirgin sorunu, anahtarlama kayıplarındaki keskin artıştır. Güç cihazlarının anahtarlama kayıplarının anahtarlama frekansıyla orantılı olduğu için, yüksek frekanlı çalışma, sistem verimliliğini azaltır ve termal yönetim üzerinde daha fazla talep yaratır. Tek bir yalıtılmış kapaklı bipolar tranzistör (IGBT) modülü için anahtarlama kaybı Psw şu şekilde modelleştirilebilir:
burada ve sırasıyla açma ve kapatma enerji kayıplarıdır; Err ters kurtarma enerjisidir; Vdc gerçek DC otobüsü gerilimidir; referans gerilimidir; gerçek akımdır; ve Iref referans akımıdır.
Anahtarlama kayıplarını baskılamak için aşağıdaki önlemler alınabilir:
İlk olarak, geleneksel IGBT'lere kıyasla daha iyi anahtarlama özelliklerine sahip Silisyum Karbür Metal Oksit Alan Efekt Transistörleri (SiC MOSFET'ler) gibi gelişmiş güç cihazları kullanılabilir;
İkinci olarak, kapı sürücü devre tasarımı optimize edilebilir, anahtarlama geçişlerinde kapı direncini dinamik olarak ayarlayarak anahtarlama hızı ve elektromanyetik interferans (EMI) arasında dengeler sağlayabilir;
Son olarak, sıfır gerilim anahtarlama (ZVS) veya sıfır akım anahtarlama (ZCS) topolojileri gibi yumuşak anahtarlama teknikleri uygulanarak anahtarlama kayıpları önemli ölçüde azaltılabilir.
2.2 Ölü Zaman Etkisi ve Kompansasyon Teknikleri
Yüksek frekanlı PWM işlemi altında, mutlak ölü zaman sabit kalmasına rağmen, anahtarlama periyoduna göre orantısı artar, bu da ölü zaman etkisinin daha belirgin hale getirir. Bu, çıkış voltajında bozulmalara, düşük hız performansındaki düşüşlere ve tork dalgalanmalarına yol açabilir. Bu sorunları etkili bir şekilde azaltmak için ölü zaman kompansasyon algoritmaları kullanılır, ifadesi şöyledir:
3 Yüksek Frekanlı PWM Teknolojisi İçin FPGA Tabanlı Uygulama Şeması
3.1 Sistem Mimarisi Tasarımı
Yüksek frekanlı PWM kontrol, hesaplama platformlarının gerçek zamanlı performansı ve kontrol doğruluğuna daha yüksek talepler getirir. Geleneksel Dijital Sinyal İşleyicileri (DSP'ler), yüksek frekanlı PWM uygulamalarında yetersiz hesaplama gücü ve önemli kesme gecikmesi gibi sınırlamalarla karşılaşabilir. Buna karşılık, Paralel İşlem Yeteneği ve donanım düzeyinde uygulama esnekliği nedeniyle Programlanabilir Kapı Dizileri (FPGA'lar) bu uygulamalar için daha uygundur.
FPGA tabanlı yüksek frekanlı PWM kontrol sisteminin genel mimarisi, dört temel modülden oluşur: ana kontrol birimi, PWM oluşturma birimi, geri bildirim sinyali işleme birimi ve koruma birimi. Özellikle:
Ana Kontrol Birimi: Hız, akım ve pozisyon döngüleri gibi kapalı döngü kontrol algoritmalarını yürütür;
PWM Oluşturma Birimi: Yüksek hassasiyetli PWM dalga formlarını üretme ve ölü zaman kontrolü yapma görevini üstlenir;
Geri Bildirim Sinyali İşleme Birimi: Akım, gerilim ve pozisyon gibi sinyallerin elde edilmesi ve ön işleme görevini üstlenir;
Koruma Birimi: Aşırı akım, aşırı gerilim ve aşırı sıcaklık gibi hataları tespit eder ve sistemin güvenliğini sağlamak için müdahale eder.
Sistem, standart arayüzler aracılığıyla birbirine bağlı işlevsel modüller üzerinden modüler bir tasarım benimser. İçerisinde, FPGA, kontrol algoritmalarının kaynak tüketimini azaltmak için düşük frekanlı saat alanında çalışırken, PWM oluşturma modülü, hassas zamanlama ve yüksek çözünürlük sağlamak için yüksek frekanlı saat alanında çalışır.
3.2 PWM Kontrol Algoritmasının Optimizasyonu ve Uygulanması
Yüksek performanslı yüksek frekanlı PWM kontrolün gerçekleştirilmesi için, geleneksel Uzay Vektör Pulse Genişlik Modülasyonu (SVPWM) algoritması, geliştirilmiş bir PWM kontrol algoritması ile optimize edilmiştir, ifadesi şöyledir:
burada Ta A Fazının üst bacağındaki iletme süresidir; vα ve vβ referans geriliminin α-β koordinat sistemindeki bileşenleridir. Bu algoritma, karmaşık trigonometrik hesaplamaları basit lineer işlemlere dönüştürerek FPGA'da boru hattı mimarisinde uygulanır. Bu, hesaplama gecikmesini önemli ölçüde azaltır ve tek döngüde yürütme sağlar. Ölü zaman kontrolünün optimize edilmesi için uyarlamalı ölü zaman kompansasyon stratejisi benimsenir.
3.3 Sistem Performans Testi ve Analizi
Önerilen yüksek frekanlı PWM uygulama şemasının (bu noktadan itibaren "önerilen şema" olarak adlandırılır) üstünlüğünü değerlendirmek için, geleneksel DSP tabanlı uygulama (bu noktadan itibaren "geleneksel şema" olarak adlandırılır) ile karşılaştırılır. Test platformu, Xilinx Artix-7 FPGA ve TMS320F28379D DSP üzerine kurulmuştur, aynı güç seviyesi devre topolojileri ve güç modülleri (1200 V/50 A SiC MOSFET) kullanılmıştır. Performans metrikleri, çıkış voltajı Toplam Harmonik Bozulma (THD), dinamik yanıt süresi, güç faktörü ve sistem verimliliği içerir. Her test üç kez tekrarlanır ve sonuçların güvenilir olması için ortalama alınır.
Tablo 1'de gösterildiği gibi, önerilen şema, çoğu metriğe göre geleneksel şemaya göre önemli avantajlar göstermektedir: çıkış voltajı THD'si 8.63%'den 5.33%'e düşürülmüş, bu 38.2%'lik bir iyileştirme; dinamik yanıt süresi 428 μs'ten 245 μs'a düşmüştür, bu 42.5%'lik bir azalma; ve güç faktörü 0.91'den 0.98'e yükselmiştir. Sistem verimliliği sadece 0.1%'lik bir artış göstermiş olsa da, bu marjinal kazanç, zaten %92'yi aşan yüksek temel verimlilik göz önüne alındığında hala anlamlıdır.
Önerilen şemanın değişken yük koşulları altındaki uygulanabilirliği, Tablo 2'de sunulan sonuçlarla daha da test edilmiştir. Testler, direnç, endüktif ve motor yüklerini kapsar. Sonuçlar, önerilen şemanın tüm yük tiplerinde istikrarlı performans gösterdiğini göstermektedir: çıkış voltajı THD'nin değişim sadece 0.47%, bu kontrol algoritmasının mükemmel dayanıklılığını göstermektedir; anahtarlama kayıpları 125 W ile 138 W arasında tutulmuştur, bu sadece 10.4%'lik bir dalgalanmayı göstermektedir, bu etkili güç yönetiminin bir göstergesidir; ve sıcaklık yükselişi 41-45 °C arasında tutulmuştur, bu üstün termal istikrarı onaylamaktadır.
4 Sonuç
Yüksek frekanlı PWM teknolojisi, inverter performansını artırmada kilit bir etkendir, ancak elektrik kontrol sistemlerinde uygulaması birçok teknik zorlukla karşı karşıyadır. Bu makale, yüksek frekanlı anahtarlama kayıpları, ölü zaman etkileri ve sürücü devre tasarımı gibi kritik sorunları ele alarak sistematik çözümler öneriyor ve bir FPGA tabanlı uygulama çerçevesi sunuyor.
Önerilen şema, yüksek hassasiyet, düşük gecikme ve güçlü gerçek zamanlı performans sunarak, hem dinamik yanıt hem de durağan durum doğruluğunu etkili bir şekilde iyileştirir. Araştırma, yüksek performanslı inverter kontrolü için sağlam teknik destek sağlar ve endüstriyel otomasyon, yenilenebilir enerji üretim ve elektrikli araçlar gibi alanlarda geniş uygulama potansiyeline sahiptir.
