High-Frequency PWM ٹیکنالوجی کے ساتھ انورٹر کی پرفارمنس میں بہتری

Echo

فیلڈ: ٹرانس فارمر تجزیہ

China

صنعتی عملیات کے مراکز میں دقت سے کنٹرول کی مانگ میں اضافہ ہونے کے ساتھ، روایتی پالس-چوڑائی مدولیشن (PWM) ٹیکنالوجی کو عالی دینامک کارکردگی اور کم ہارمونک ڈسٹریشن کی ضروریات کو پورا کرنے میں مشکلات کا سامنا کرنا پڑ رہا ہے۔ اس کے مقابلے میں، عالی فریکوئنسی PWM ٹیکنالوجی کیریئر فریکوئنسی کو بڑھا کر آؤٹ پٹ ویو فارم کی کوالٹی میں بہتری لاتی ہے اور سسٹم ہارمونک کو کم کرتی ہے، جس سے انورٹرز کی کارکردگی میں بہتری لاتی ہے۔ نتیجے کے طور پر، عالی فریکوئنسی PWM ٹیکنالوجی کو لاگو کرتے وقت سسٹم کی کارکردگی اور قابلِ اعتمادیت کو توازن میں رکھنا انورٹر ٹیکنالوجی کی ترقی کا ایک اہم پہلو بن گیا ہے۔

1. عالی فریکوئنسی PWM کی بنیادی نظریہ اور ٹیکنیکل خصوصیات

PWM ٹیکنالوجی انورٹرز کے الیکٹرکل کنٹرول سسٹمز میں ولٹیج اور فریکوئنسی کو کنٹرول کرنے کی مرکزی تکنیک ہے۔ یہ ریفرنس سائنلز کو کیریئر سائنلز کے ساتھ مقایسة کرتے ہوئے پالس سیکوئنس جنرات کرتی ہے اور ان پالس سیکوئنس کو استعمال کرتے ہوئے پاور ڈیوائسز کے سوئچنگ حالت کو کنٹرول کرتی ہے، جس سے لوڈ کو بجلی کی فراہمی پر دقت سے کنٹرول کیا جا سکتا ہے۔ انورٹر کنٹرول میں، PWM کا ڈیوٹی سائکل $D$ ریفرنس ویو کی امپلی ٹیوڈ $V_{ref}$ اور کیریئر ویو کی امپلی ٹیوڈ $V_{tri}$ کے ساتھ منسلک کیا جا سکتا ہے:

مودولیشن تناسب $m$ ریفرنس ویو کی امپلی ٹیوڈ کے کیریئر ویو کی امپلی ٹیوڈ کے تناسب کے طور پر تعریف کیا جاتا ہے۔ یہ مستقیماً آؤٹ پٹ ولٹیج کی موثر قدر اور ہارمونک خصوصیات پر زور دیتا ہے۔ اس تناسب کا اظہار یوں کیا جا سکتا ہے:

کیریئر فریکوئنسی $f_{c}$ PWM سگنل تیار کرنے کے لیے استعمال کیے جانے والے مثلثی شکل کی فریکوئنسی کو ظاہر کرتا ہے۔ اس کی قدر سسٹم کی دینامک ردعمل کی رفتار اور آؤٹ پٹ ہارمونک کی تقسیم پر زور دیتا ہے۔ فریکوئنسی تناسب $N$ کیریئر فریکوئنسی کے ریفرنس ویو فریکوئنسی کے تناسب کے طور پر تعریف کیا جاتا ہے، جس کا اظہار یوں کیا جا سکتا ہے:

جہاں $f_{1}$ ریفرنس ویو فریکوئنسی ہے۔ عالی فریکوئنسی PWM ٹیکنالوجی عام طور پر 10 kHz سے زائد کیریئر فریکوئنسی کے ساتھ PWM کنٹرول ٹیکنالوجی کو ظاہر کرتی ہے۔ مدرن انورٹرز میں، پاور ڈیوائسز کی کارکردگی میں مسلسل بہتری کے ساتھ، کیریئر فریکوئنسی 20 kHz یا اس سے زائد تک پہنچ گئی ہے۔ کیریئر فریکوئنسی کو بڑھا کر آؤٹ پٹ ہارمونک کمپوننٹس کو عالی فریکوئنسی رنج میں منتقل کیا جا سکتا ہے، جس سے بعد میں فلٹر کرنے کی آسانی ہوتی ہے اور موٹر کی آواز اور کانپن کو موثر طور پر کم کیا جا سکتا ہے۔

تجربات ظاہر کرتے ہیں کہ کیریئر فریکوئنسی کو 5 kHz سے 20 kHz تک بڑھا کر موٹر کی آواز کو 12–15 dB تک کم کیا جا سکتا ہے اور درجہ حرارت کی اضافہ کو 5–8 °C تک کم کیا جا سکتا ہے۔ کیریئر فریکوئنسی کے بڑھنے کے ساتھ PWM آؤٹ پٹ ویو فارم ایدیل سائن ویو کے قریب آتی ہے، اور کل ہارمونک ڈسٹریشن (THD) میں محسوس کمی ہوتی ہے۔ 20 kHz کیریئر فریکوئنسی پر، انورٹر آؤٹ پٹ ولٹیج کا THD تقریباً 5% تک کم ہو جاتا ہے، جو کم فریکوئنسی PWM ٹیکنالوجی کے 8%–12% کے مقابلے میں کافی بہتر ہے۔ علاوہ ازیں، عالی فریکوئنسی PWM تیز دینامک ردعمل اور زیادہ کنٹرول دقت کے فوائد بھی فراہم کرتی ہے۔

2. عالی فریکوئنسی PWM کے لاگو کرنے میں کلیدی چیلنجز اور ان کے حل

2.1 عالی سوئچنگ نقصانات اور ان کے کم کرنے کے طریقے

عالی فریکوئنسی PWM ٹیکنالوجی کا سب سے بڑا مسئلہ سوئچنگ نقصانات میں تیزی سے اضافہ ہے۔ کیونکہ پاور ڈیوائسز کے سوئچنگ نقصانات سوئچنگ فریکوئنسی کے تناسب میں ہوتے ہیں، عالی فریکوئنسی آپریشن سسٹم کی کارکردگی کو کم کرتا ہے اور گرمائش کے کنٹرول پر زیادہ مطالبات کرتا ہے۔ ایک سینگل انسلیٹڈ-گیٹ بائیپولر ٹرانزسٹر (IGBT) ماڈیول کا سوئچنگ نقصان $P_{sw}$ کو نیچے دیا گیا مدل کے ذریعے ظاہر کیا جا سکتا ہے:

جہاں $E_{on}$ اور $E_{off}$ متعلقہ انرجی نقصانات ہیں؛ $E_{rr}$ ریورس ریکوری انرجی ہے؛ $V_{dc}$ فعلی DC باس ولٹیج ہے؛ $V_{ref}$ ریفرنس ولٹیج ہے؛ $I_{c}$ فعلی کرنٹ ہے؛ اور $I_{ref}$ ریفرنس کرنٹ ہے۔

سوئچنگ نقصانات کو کم کرنے کے لیے نیچے دیے گئے اقدامات اختیار کیے جا سکتے ہیں:
پہلے، ایڈوانسڈ پاور ڈیوائسز جیسے سلیکون کاربائیڈ میٹل-آکسائیڈ سیمی کنڈکٹر فیلڈ-ایفیکٹ ٹرانزسٹرز (SiC MOSFETs) کا استعمال کریں، جو روایتی IGBTs کے مقابلے میں بہتر سوئچنگ خصوصیات فراہم کرتے ہیں؛
دوسرا، گیٹ ڈرائیور سرکٹ ڈیزائن کو بہتر بنائیں، دوہری مائل ڈرائیو ٹیکنالوجی کا استعمال کر کے سوئچنگ ٹرانزیشن کے دوران گیٹ ریزسٹنس کو دینامک طور پر تبدیل کریں، جس سے سوئچنگ رفتار اور الیکٹرو میگنتک انٹرفیئرنس (EMI) کو توازن میں رکھا جا سکے؛
آخر میں، سافٹ-سوئچنگ ٹیکنالوجی کا استعمال کریں، جیسے صفر ولٹیج سوئچنگ (ZVS) یا صفر کرنٹ سوئچنگ (ZCS) ٹاپولوجی، تاکہ سوئچنگ نقصانات کو محسوس طور پر کم کیا جا سکے۔

2.2 ڈیڈ ٹائم اثر اور ان کے معاوضہ کرنے کے طریقے

عالی فریکوئنسی PWM آپریشن کے تحت، چاہے مطلق ڈیڈ ٹائم مستقل رہے، لیکن اس کا تناسب سوئچنگ دورے کے ساتھ بڑھ جاتا ہے، جس سے ڈیڈ ٹائم کا اثر زیادہ واضح ہو جاتا ہے۔ یہ آؤٹ پٹ ولٹیج کی ڈسٹریشن، کم رفتار کی کارکردگی کی کمی، اور ٹورک رپل کی اضافہ کا باعث بن سکتا ہے۔ ان مسائل کو موثر طور پر کم کرنے کے لیے ڈیڈ ٹائم کمپینسیشن الگورتھم استعمال کیے جاتے ہیں، جو یوں ظاہر کیے جا سکتے ہیں:

3 FPGA-بنیادی عالی فریکوئنسی PWM ٹیکنالوجی کا لاگو کرنے کا منصوبہ

3.1 سسٹم آرکیٹیکچر ڈیزائن

عالی فریکوئنسی PWM کنٹرول کمپیوٹنگ پلیٹفارمز کی ریئل ٹائم کارکردگی اور کنٹرول دقت پر زیادہ مطالبہ کرتا ہے۔ روایتی ڈیجیٹل سگنل پروسیسر (DSPs) کو عالی فریکوئنسی PWM کو لاگو کرنے کے دوران کم کمپیوٹنگ پاور اور محسوس انٹرپٹ لیٹنسی کی محدودیتوں کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ اس کے مقابلے میں، فیلڈ-پروگرامبل گیٹ ارائی (FPGAs) کے متوازی پروسیسنگ کی صلاحیتوں اور ہارڈوئیر سطح کے لاگو کرنے کی متحرکیت کی وجہ سے وہ ایسی کارروائیوں کے لیے بہتر موزوں ہیں۔

FPGA-بنیادی عالی فریکوئنسی PWM کنٹرول سسٹم کی کلیہ میں چار کور میڈیول شامل ہیں: مرکزی کنٹرول یونٹ، PWM جنرات یونٹ، فیڈ بیک سگنل پروسیسنگ یونٹ، اور پروٹیکشن یونٹ۔ خصوصی طور پر:

مرکزی کنٹرول یونٹ: رفتار، کرنٹ، اور پوزیشن لوپ جیسے بند لوپ کنٹرول الگورتھم کو اجرا کرتا ہے؛
PWM جنرات یونٹ: عالی دقت PWM ویو فارم تیار کرتا ہے اور ڈیڈ ٹائم کنٹرول کرتا ہے؛
فیڈ بیک سگنل پروسیسنگ یونٹ: کرنٹ، ولٹیج، اور پوزیشن جیسے سگنل کی حاصل کاری اور پری پروسیسنگ کرتا ہے؛
پروٹیکشن یونٹ: اوورکرنٹ، اوور ولٹیج، اور اوور ٹیمپریچر جیسی خرابیوں کی شناخت کرتا ہے اور ان پر عمل کرتا ہے تاکہ سسٹم کی سلامتی کو یقینی بنایا جا سکے۔

سسٹم میڈیولر ڈیزائن کو اپناتا ہے، جہاں فنکشنل میڈیولز معیاری انٹرفیسز کے ذریعے مربوط ہوتے ہیں۔ داخلی طور پر، FPGA نے دوگنا کلک ڈومین آرکیٹیکچر کو استعمال کیا: کنٹرول الگورتھم کم فریکوئنسی کلک ڈومین میں کام کرتے ہیں تاکہ ریسورس کنسمپشن کو کم کیا جا سکے، جبکہ PWM جنرات میڈیول عالی فریکوئنسی کلک ڈومین میں کام کرتا ہے تاکہ دقت کی ٹائمنگ اور عالی ریزولیشن کو یقینی بنایا جا سکے۔

3.2 PWM کنٹرول الگورتھم کی بہتری اور لاگو کرنے کا طریقہ

عالی کارکردگی کے عالی فریکوئنسی PWM کنٹرول کو حاصل کرنے کے لیے، روایتی سپیس ویکٹر پالس وڈتھ مودولیشن (SVPWM) الگورتھم کو بہتر بنایا گیا ہے اور ایک بہتر PWM کنٹرول الگورتھم متعارف کروایا گیا ہے، جس کا اظہار یوں کیا جا سکتا ہے: