Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Oparte na SiC przetwornice poprawiają sprawność systemów OZE i EV

ghost666 05 Dec 2022 12:18 267 0
Computer Controls
  • Oparte na SiC przetwornice poprawiają sprawność systemów OZE i EV
    Przetwornice mocy są niezbędnymi elementami wykorzystywanymi w zastosowaniach elektrycznych, a wraz z nimi cewki indukcyjne, klucze mocy itp. Tego rodzaju rozwiązania użytkowane są w systemach odnawialnych źródeł energii i magazynowania jej. Potrzeba elektryfikacji mechanizmów, które wcześniej były zasilane paliwami kopalnymi, staje się coraz pilniejsza, ponieważ światowe wysiłki na rzecz minimalizacji emisji gazów cieplarnianych nabierają tempa. Skuteczność i wydajność przekształtników podstawowego elementu tych systemów są coraz bardziej istotne w miarę, jak świat zmierza w kierunku wykorzystania układów elektrycznych zasilanych wyłącznie energią odnawialną.

    Zajmując pozycję rynkową w ramach transformacji energetycznej, firma Hillcrest Energy Technologies zamierza dawać przykład w zakresie dekarbonizacji sektora energetycznego. Jej technologia koncentruje się na tworzeniu rozwiązań, które pozwalają zwiększać sprawność elektryfikacji i maksymalizują wydajność zintegrowanych systemów elektrycznych. „Chociaż skupiamy się na technice falowników trakcyjnych dla pojazdów elektrycznych (EV), rozwijane przez nas technologie mogą być również stosowane w wielu innych gałęziach przemysłu, aby systemy elektryczne osiągały wyższą sprawność” — oznajmił dyrektor ds. technologii w Hillcrest, Ari Berger.

    Według Bergera, technologia oferowana przez Hillcrest eliminuje tradycyjne kompromisy projektowe, z jakimi boryka się przemysł energetyczny — zastosowanie wyższych częstotliwości przełączania w przeszłości oznaczało większy wzrost strat: niższą efektywność i wzmożone rozpraszanie ciepła. „Dzięki połączeniu doświadczenia w zakresie sprzętu i oprogramowania sterującego, technologia Hillcrest materialnie eliminuje straty, umożliwiając aplikacjom energetycznym wykorzystanie wyższych częstotliwości przełączania, osiągnięcie lepszej wydajności i niezawodności zasilania oraz działanie na zwiększonych poziomach mocy bez uszczerbku dla efektywności” — powiedział Berger.

    Technologia inwerterowa na bazie SiC

    Zmniejszając straty na falowniku, technologia firmy Hillcrest redukuje ilość wymaganego zarządzania termicznego w całym układzie. Ograniczenie złożoności systemu i nacisku na komponenty mocy może skutkować znacznymi oszczędnościami kosztów. Technika oparta na krzemie (np. MOSFET), została stworzona w celu zniwelowania strat przewodzenia. Wykorzystując szerokopasmowe półprzewodniki z węglika krzemu i azotku galu, opracowano ostatnio również przełączniki o niskiej rezystancji. Zmniejszają one także straty przełączania poprzez skrócenie czasu przejścia, ale to z kolei spowodowało problemy z EMI i wysokimi dV/dt, co ma negatywny wpływ na niezawodność układu.

    Innym sposobem ograniczenia lub zlikwidowania strat przełączania jest wyeliminowanie nakładania się przejść prądowych i napięciowych. Dobrze znane podejście opiera się na przełączaniu przy zerowym napięciu (ZVS). Umożliwia to tzw. miękkie przełączanie zapobiegające stratom przy przełączaniu, które często występują przy tradycyjnym PWM i synchronizacji. Gdy MOSFET jest przełączany miękko, wszelkie nakładanie się napięcia lub prądu jest usuwane, co zmniejsza straty. Napięcie spada do zera przed włączeniem lub wyłączeniem MOSFET-u. (Metoda może być również stosowana w celu odwrócenia tranzystora MOSFET, gdy prąd, a nie napięcie, zbliża się do zera. Przełączanie przy zerowym prądzie lub ZCS to nazwa tej techniki). Fakt, że wykorzystanie miękkiego przełączania redukują EMI to kolejna korzyść.

    Najdokładniejszą definicją miękkiego przełączania (ZVS) jest przetwarzaniem z wykorzystaniem standardowego PWM podczas pracy tranzystora MOSFET, ale z: „rezonansowymi” przejściami przez zero. Sposób można porównać do zasilacza PWM, który wykorzystuje stałą kontrolę do zmiany częstotliwości konwersji lub do utrzymania regulacji napięcia wyjściowego w czasie eksploatacji. Ta technika jest równoważna konwersji o stałej częstotliwości z regulowanym cyklem pracy dla danej jednostki czasu. Dwie dodatkowe zalety ZVS to jego zdolność do działania przy wyższych częstotliwościach, co skutkuje ograniczeniem szumów, prostszym filtrowaniem i użyciem mniejszej liczby elementów filtrów, a także jego zdolnością do zminimalizowania widma harmonicznych wszelkich zakłóceń EMI (poprzez skupienie się na częstotliwości przełączania).

    Wadą jest to, że nie ma pewności, że MOSFET rozładuje całą swoją energię przed wyłączeniem, szczególnie przy wysokich częstotliwościach. Te: „przechowywane” zasoby z czasem mogą prowadzić do awarii komponentów, zwłaszcza w szybko przełączającym się regulatorze napięcia. Aby zapewnić odprowadzenie całej energii z tranzystora, producenci modułów mocy rozwiązują ten problem, podłączając szybką diodę równolegle do klucza.

    Istniejące metody przełączania przy zerowym napięciu nie nadają się do zastosowań w sterownikach trakcyjnych pojazdów elektrycznych, ponieważ wiążą się z nimi mankamenty, takie jak wydajność zależna od temperatury i obciążenia oraz wąski zakres działania. Technologia inwerterowa firmy Hillcrest spożytkowuje metodę ZVS kontrolowaną przez nowatorskie algorytmy oprogramowania sterującego z wykorzystaniem mikrokontrolerów. Technika ta umożliwia miękkie przełączanie i materialnie usuwa straty. Dlatego przy ich wyeliminowaniu można zwiększyć częstotliwość przełączania przekształtnika, a system może czerpać dodatkowe korzyści, takie jak podbita sprawność i mniejsze rozmiary.

    „Obecnie używamy 1200-V półprzewodników SiC, ponieważ z dzisiejszego punktu widzenia są one najbardziej odpowiednie do zastosowań trakcyjnych” — powiedział Harald Hengstenberger, dyrektor zarządzający i założyciel firmy Systematec GmbH, strategicznego partnera Hillcrest z doświadczeniem w zakresie energoelektroniki i projektowania komponentów elektromechanicznych. Jak skomentował, częstotliwości przełączania dzisiejszych systemów trakcyjnych wynoszą około 10 kHz. „Widzimy znaczne korzyści wykorzystania naszej wysokowydajnej technologii inwerterowej do zmiennego dostosowywania częstotliwości przełączania do optymalnej wartości dla ogólnej efektywności systemu, która wynosi do około 100 kHz. Przełączniki GaN są odpowiednie dla znacznie wyższych częstotliwości przełączania i widzimy ich użytek w ładowarkach czy przetwornicach DC/DC”.

    Według Hilllcresta, na wszystkich rynkach, na których występują wysokie czasy pracy lub wymagania dotyczące sprawności, ten typ falownika może być mile widziany. „Oprócz pojazdów elektrycznych i branży elektromobilności, platforma technologiczna falowników Hillcrest może poprawić sprawność, jak i niezawodność w różnych zastosowaniach końcowych i aplikacjach. Zwłaszcza tam, gdzie falowniki odgrywają kluczową rolę, w tym w systemach odnawialnych źródeł energii związanych z siecią, układach ładowania i przechowywania zasobów oraz zasilaczach wysokiej mocy/napięcia, takich jak użytkowane w sieci energetycznej, na kolei czy w statkach” — zakomunikował dyrektor ds. technicznych Berger.

    Ponieważ technologia inwerterowa firmy Hillcrest materialnie eliminuje straty, umożliwia stosowanie wyższych częstotliwości przełączania, co skutkuje lepszą jakością sygnału wyjściowego i niższymi całkowitymi zniekształceniami harmonicznymi oraz mniejszym rozmiarem kondensatora obwodu DC. Redukuje również dV/dt głównych kluczy zasilania bez negatywnego wpływu na straty, co pomaga chronić uzwojenia silnika i okablowanie przed uszkodzeniem izolacji i ogranicza problemy tradycyjnie powodowane przez EMI.

    Według Hillcrest korzyści te są cenne na poziomie systemu, dając rezultaty takie jak mniejsze rozmiary silnika i niższe wymagania dotyczące chłodzenia, nie tak znaczące tętnienia momentu obrotowego i wzmocniona żywotność części mechanicznych w zastosowaniach trakcyjnych. „W rozwoju półprzewodników zwykle dokonuje się kompromisu między najniższymi możliwymi stratami w kierunku przewodzenia a dobrymi właściwościami przełączania” — wskazał Berger. „Dzięki naszej technologii falowników zasadniczo wyeliminowaliśmy straty przełączania półprzewodników mocy, dlatego przyszłe generacje, które są zoptymalizowane pod kątem najniższych możliwych strat w stanie włączenia, mogą prowadzić do dalszego wzrostu sprawności i zasięgu pojazdów elektrycznych. Specjalna metoda przełączania zastosowana w wysokowydajnej technologii falownika firmy Hillcrest zmniejsza również tętnienie prądu w obwodzie prądu stałego, co może prowadzić do wydłużenia żywotności akumulatora. Rodzaj półprzewodnika nie jest pod tym względem decydujący”.

    Oparte na SiC przetwornice poprawiają sprawność systemów OZE i EV
    Rys.1. Twarde wyłączanie przy wewnętrznym prądzie obciążenia 5 A.

    Oparte na SiC przetwornice poprawiają sprawność systemów OZE i EV
    Rys.2. Miękkie wyłączanie przy wewnętrznym prądzie obciążenia 5 A.


    Rysunki 1 i 2 przedstawiają przejście wyłączania przy prądzie 5 A w kierunku przekształtnika (kierunek ujemny). W schemacie z twardym przełączaniem około 65 µJ jest rozpraszane w przełączniku z mocą szczytową 1,5 kW. W tym schemacie dV/dt wynosi około 13 kV/µs, co jest dość wysokie i może uszkodzić kable i silniki. Z drugiej strony straty miękkiego przełączania podczas przejścia są zdumiewająco niskie, około 2 µJ. Wartość dV/dt w tym schemacie stanowi 1,1 kV/µs, co skutkuje dłuższą żywotnością silnika i kabli, niższym EMI i mniejszymi wymaganiami dotyczącymi ekranowania systemu.

    Wyzwania

    Głównymi czynnikami napędzającymi rozwój falowników są zawsze rozmiar, waga i koszt. Ostateczna ocena urządzenia jest konsekwencją wzajemnego oddziaływania czy też kompromisu tych trzech wymagań względem siebie. „Dzięki wyeliminowaniu strat przełączania i tak już wysoka sprawność falownika wynosząca 97,5% do 98% zostaje podbita o kolejne 1,5%” — wskazuje Berger. „Podczas gdy zoptymalizowana jego użyteczność jest cenna, decydującą korzyść można znaleźć w wyższych częstotliwościach przełączania. Dzięki jej zwiększeniu jakość prądu zasilającego maszyny elektryczne zostaje znacznie zwielokrotniona, a skuteczność systemu w zakresie obciążenia częściowego wzrasta o około 14%. Co z kolei ma znacznie większy wpływ na zasięg [w przypadku pojazdów elektrycznych — przyp.red.]”.

    Według Hillcrest technologia inwerterowa firmy może pomóc w ograniczeniu wyzwań związanych z obudowami, zmniejszając niektóre komponenty. „Jeśli chodzi o projektowanie, nasz partner Systematec ma wieloletnie doświadczenie motoryzacyjne w organizacji sprzętu; planujemy także partnerstwo/współpracę z firmami technologicznymi, które specjalizują się w tej dziedzinie, w tym z globalnymi dostawcami motoryzacyjnymi Tier 1 i producentami OEM” — dodał Berger.

    Źródło: https://www.eetimes.com/sic-based-inverter-technology-increases-efficiency-in-evs-and-renewable-applications/

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11500 posts with rating 9721, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Computer Controls