Techniki sterowania przełączaniem

Techniki sterowania przełączaniem dotyczą łagodzenia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) w energoelektronice (PE). Projektowanie energoelektroniki wymaga przezwyciężenia trzech kluczowych wyzwań:

straty mocy
EMI
harmonia

Ponadto użycie PE wprowadza do sieci elektrycznej istotne wady dotyczące EMI, które należy wziąć pod uwagę podczas jej projektowania i działania, zwłaszcza gdy pożądane jest spełnienie ograniczeń EMC (np. CISPR 22 ). Na przykład obcowanie z przetwornicami statycznymi zaprojektowanymi z PE może powodować zakłócenia sygnału w środowisku elektromagnetycznym (pola bliskie lub dalekie), np. w odniesieniu do odbiorników radiowych , systemów nawigacji samochodowej , awioniki itp.

Zakłócenia te są spowodowane głównie zakłóceniami o wysokiej częstotliwości z półprzewodnikowych elementów przełączających wewnątrz PE. Trudno jest poradzić sobie z tym aspektem za pomocą filtrowania i ekranowania , ponieważ rosną wymagania dotyczące kosztów i rozmiaru ich implementacji, wraz z większą wydajnością. Dlatego zasilacze impulsowe w celu uzyskania wyższej wydajności.

Łagodzenie zakłóceń elektromagnetycznych

Przełom technologii półprzewodnikowych i ich zastosowanie w urządzeniach energoelektronicznych zapewnia szybkie przełączanie zasilania z półki ze stopniowo rosnącą wydajnością i technologią zasilania o dużej gęstości w systemach elektronicznych. Aby spełnić wymagania EMC, ważne jest lepsze zrozumienie zachowania dynamiki urządzeń przełączających w PE oraz czynników, które powodują modyfikacje kształtu i szybkości przebiegu wyjściowego. W związku z tym można wyróżnić dwie techniki tłumienia EMI w odniesieniu do PEI (Power Electronics Interface) (rys. 1): zmniejszenie emisji u źródła lub zmniejszenie efektywności toru propagacji. Z jednej strony ingerencja w źródło jest możliwa poprzez zastosowanie technik sterowania przełączaniem (zwiększenie wydajności), przeprojektowanie obwodu (kosztowne i czasochłonne) oraz zastosowanie miękkich przejść przełączających. Z drugiej strony, dodając filtry zewnętrzne lub wewnętrzne (również kosztowne) można zaadresować ścieżkę propagacji.

Rys. 1. Techniki tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych w zależności od toru i źródła interfejsu energoelektroniki.

Biorąc pod uwagę, że manipulowanie zasilaniem elektrycznym nie jest konieczne w celu modyfikacji wewnętrznych obwodów urządzenia elektronicznego, np. falownika , przetwornicy, prostownika , itd. (wtedy odcięcie kosztów), stosując techniki sterowania przełączaniem możliwe jest zwiększenie wydajności PE. Chociaż zastosowanie tranzystorów przełączających może zwiększyć emisję przewodzoną generowaną przez zasilacz, może zwiększyć wydajność sterowników (np. w przypadku sterowników o wysokiej sprawności). Gdy podstawowa składowa przebiegu zostanie powiązana z konwersją energii (DC lub AC) i częstotliwością przełączania (nawet kilkadziesiąt kiloHertzów lub więcej), dokonywany jest wybór dogodnego profilu przebiegu w zależności od celu i ograniczeń przetwornicy PE.

Tak więc wysoka sprawność osiągana przez impulsowe przekształtniki mocy związana jest z zastosowaniem aparatów łączeniowych, zasobników energii i transformatorów, poprzez odpowiednią aktywność modulacyjną łączników do przetwarzania dostępnych przebiegów sygnałów DC lub AC oraz napięciowych lub prądowych źródła zasilania na przebiegi prądu przemiennego lub stałego wymagane przez obciążenie. Tymi urządzeniami przełączającymi są głównie półprzewodniki takie jak: tranzystory , diody , tyrystory , tranzystor polowy itp. Wysoka wydajność urządzeń łączeniowych jest głównym powodem poszukiwania odpowiedniej techniki sterowania łącznikiem. Dwie najpopularniejsze metody to:

Deterministyczny, w którym modulacja szerokości impulsu (PWM) ma zastosowanie jako zaprogramowana metoda przełączania i;
Niedeterministyczna (lub losowa modulacja), charakteryzująca się metodą losowego PWM (RPWM).

Kluczową różnicę między tymi technikami przypisuje się faktowi, że losowość wprowadza szum EMI o widmie rozłożonym w sposób ciągły na częstotliwości, tj. jednorodną moc w całym paśmie częstotliwości.

Modulacja deterministyczna

Rys. 2. Szum EMI napięcia wyjściowego dla zaprogramowanej częstotliwości przełączania (PWM): a) widmo i b) spektrogram.

PWM jest uważana za najpowszechniejszą technikę deterministyczną. Na przykładzie przetwornicy DC-DC sterowany przełącznik ma za zadanie „odciąć” przebieg prądu stałego na przebieg impulsowy. Dlatego napięcie tego sygnału zmienia się z częstotliwością przełączania między wartością maksymalną a zerem. Przetwornica kontroluje również cykl pracy (𝐷), czyli przedział czasu, w którym urządzenie przełączające jest wyłączane w każdym cyklu. Ogólnie rzecz biorąc, przebieg interfejsu energoelektroniki (PEI) jest okresową funkcją czasu w stanie ustalonym.

W połowie lat 90. niektórzy badacze zaczęli oceniać, które techniki modulacji częstotliwości zastosować w celu zmniejszenia emisji EMI, koncentrując się na komunikacji i systemach mikroprocesorowych. Głównym problemem związanym z tymi ostatnimi podejściami jest to, że EMI jest równomiernie rozłożone w całym spektrum częstotliwości, a te podejścia nie zapewniają żadnej kontroli nad pasmami, w których energia EMI jest rozproszona. Ta cecha ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach telekomunikacji, telematyki i systemów automatyki, w których należy unikać zakłóceń elektromagnetycznych o określonych selektywnych częstotliwościach. Badania nad takimi technikami redukcji zakłóceń elektromagnetycznych układów cyfrowych są przedmiotem szczególnego zainteresowania, w tym wprowadzenia nowego obszaru badań technikami modulacji do przetwornic energoelektronicznych z modulacją losową.

Dla przykładu na rys. 2.A przedstawiono widmo, a na rys. 2.B spektrogram napięcia wyjściowego z szumem EMI dla programowalnego PWM z częstotliwością przełączania w przetwornicy buck z 𝐷 = 0,50, zgodnie z CISPR A standard. Zgodnie z rys. 2.A, programowalna częstotliwość przełączania ma znaczący wpływ na kształt szumu EMI, jak również wysokie pasmo boczne. Rys. 2.B przedstawia amplitudę wysokich pików szumu EMI, przy częstotliwości przełączania i ich wielokrotnych harmonicznych.

Modulacja niedeterministyczna

Rys. 3. Szum EMI napięcia wyjściowego: a) Widmo dla RPWM oraz b) Spektrogram dla RPWM.

Proces losowości można przeprowadzić przez rozłożenie mocy harmonicznych istniejących przy dobrze określonych częstotliwościach (tj. harmonicznych dyskretnych) w szerokim zakresie częstotliwości w celu usunięcia składowych harmonicznych o znacznej wielkości. Dzięki temu dyskretne harmoniczne są znacznie zmniejszone, a moc harmoniczna jest rozszerzona w całym spektrum jako szum.

Procedura stojąca za większością losowych modulacji jest związana ze schematami kolejnych randomizacji ciągu impulsów przełączających (lub jego segmentów), które są statystycznie niezależne i rządzą się regułami probabilistycznymi. Tak więc procedura losowej modulacji musi umożliwiać dokładną kontrolę wydajności losowego przełączania w dziedzinie czasu, oprócz kształtowania widma w dziedzinie częstotliwości. Podstawowy problem analizy modulacji losowej dotyczy charakterystyki widmowej sygnału (i powiązanych z nim przebiegów) w konwerterze do struktury probabilistycznej, która reguluje roztrząsanie podstawowego deterministycznego nominalnego wzorca przełączania.

W takim przypadku odpowiednim podejściem jest analiza konfiguracji losowego przełączania w widmie mocy, obliczonej z transformaty Fouriera (FT) oryginalnej autokorelacji sygnału. Należy zauważyć, że FT losowego sygnału samo w sobie jest funkcją losową, tj. jest zmienną losową dla każdej częstotliwości. Z drugiej strony widmo mocy ma właściwości zbieżności i można je wiarygodnie oszacować na podstawie dostępnego sygnału.

Dlatego możliwe jest sklasyfikowanie strategii losowej modulacji jako stacjonarnych.

Na rys. 3.A przedstawiono kształt widma szumu EMI napięcia wyjściowego dla RPWM z częstotliwością przełączania zaimplementowaną w jednym przetwornicy Buck i zgodnie ze standardem CISPR A. Pokazuje spektrogram kształtu szumu EMI napięcia wyjściowego dla RPWM, gdzie można zauważyć (również na rys. 3. A), że proces losowy wprowadza ciągły kształt szumu EMI, w niskich częstotliwościach kształt szumu EMI następuje tryb oscylacyjny, w którym wartość szumu maleje w całym widmie. Rys. 3.B przedstawia spektrogram kształtu szumu EMI napięcia wyjściowego dla RPWM, gdzie można zauważyć (również na rys. 3.A), że proces randomizacji wprowadza ciągły kształt szumu EMI, a w zakresie niskich częstotliwości , kształt szumu EMI podąża za trybem oscylacyjnym, a ich wartość szumu maleje w całym widmie.

Zobacz też