La eficiencia del inversor de potencia está directamente relacionada con la energía generada por el sistema, por lo que es un indicador importante que preocupa mucho a los clientes. Es de gran importancia aumentar la eficiencia de conversión del inversor de potencia.
La única forma de mejorar la eficiencia de los inversores de potencia es reducir las pérdidas. Las principales pérdidas de los inversores provienen de los IGBT, MOSFET y otros tubos de conmutación de potencia, así como de dispositivos magnéticos como transformadores e inductores, lo cual está relacionado con la corriente, el voltaje y el proceso adoptado por los materiales seleccionados.
| Componente | Tipo | Factores | Medidas |
| IGBT | Pérdida por conmutación (dinámica) | Frecuencia de conmutación, voltaje de CC | Multinivel, estrategia de control |
| Pérdida por conducción (estática) | Corriente, resistencia interna del componente | Conmutación suave, nuevo componente | |
| Inductancia | Pérdida por hierro (pérdida sin carga) | Capacidad, magnetorresistencia | Mejorar la frecuencia de conmutación y el material conductor magnético |
| Pérdida por cobre (pérdida con carga) | Corriente, resistencia interna | Materiales conductores de buena calidad |
Pérdida en IGBT
Se puede dividir en pérdida por conducción y pérdida por conmutación. Entre ellas, la pérdida por conducción está relacionada con la resistencia interna y la corriente que pasa por los componentes, mientras que la pérdida por conmutación está relacionada con la frecuencia de conmutación de los componentes y el voltaje de CC soportado por los componentes.
Pérdida en inductancia
Se puede dividir en pérdida por cobre y pérdida por hierro. Entre ellas, la pérdida por cobre se refiere a la pérdida causada por la resistencia de la bobina de inductancia. Cuando la corriente calienta al pasar por la resistencia de la bobina de inductancia, parte de la energía eléctrica se transforma en energía térmica y se pierde, y dado que la bobina suele estar envuelta con alambre de cobre aislado, también se llama pérdida por cobre, que puede calcularse midiendo la impedancia en cortocircuito de los transformadores. La pérdida por hierro incluye dos aspectos: pérdida por histéresis y pérdida por corrientes parásitas, que pueden calcularse midiendo la corriente sin carga de los transformadores.
Técnicas para mejorar la eficiencia de los inversores
Actualmente, existen tres rutas técnicas para mejorar la eficiencia de los inversores de potencia.
- Primero, se utilizan métodos de control como la modulación por ancho de pulso vectorial espacial para reducir las pérdidas.
- Segundo, se emplean componentes de materiales de carburo de silicio para reducir la resistencia interna de los dispositivos de potencia.
- Tercero, se adoptan topologías eléctricas multinivel de tres, cinco y múltiples niveles y tecnología de conmutación suave para reducir el voltaje en los extremos de los dispositivos de potencia y las frecuencias de conmutación de los dispositivos de potencia.
1. Modulación por ancho de pulso vectorial espacial (SVPWM)
SVPWM es un método de control totalmente digital con las ventajas de alta utilización del voltaje de CC y fácil control, que se ha utilizado ampliamente en inversores de potencia. Con una alta utilización del voltaje de CC, se puede usar un voltaje de bus de CC más bajo bajo el mismo voltaje de salida, lo que reduce la tensión en los dispositivos de conmutación de potencia, disminuye la pérdida por conmutación en los dispositivos y mejora la eficiencia de conversión de los inversores de potencia hasta cierto punto. En la síntesis vectorial espacial, existen muchas combinaciones de secuencias vectoriales. A través de diferentes combinaciones y ordenamientos, se puede lograr el efecto de reducir las veces de conmutación de los dispositivos de potencia, lo que puede reducir aún más las pérdidas por conmutación de los dispositivos de potencia de los inversores.
2. Uso de componentes hechos de material de carburo de silicio
La impedancia por unidad de área de los dispositivos de carburo de silicio es solo el uno por ciento de la de los dispositivos de silicio, y los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) y otros dispositivos de potencia hechos de carburo de silicio pueden reducir la impedancia en estado de conducción a una décima parte de los dispositivos convencionales de silicio. Dado que la tecnología de carburo de silicio puede reducir eficazmente la corriente de recuperación inversa de los diodos, también se pueden reducir la pérdida por conmutación de los dispositivos de potencia y la capacidad de corriente requerida para el interruptor principal. Por lo tanto, el diodo antiparalelo con diodo de carburo de silicio como interruptor principal es la forma de mejorar la eficiencia de los inversores de potencia. En comparación con el diodo antiparalelo de recuperación rápida tradicional, el diodo antiparalelo hecho de carburo de silicio puede reducir significativamente la corriente de recuperación inversa y mejorar la eficiencia total de conversión en un 1%. Después de usar IGBT rápido, la eficiencia de conversión de toda la máquina puede mejorar en un 2% debido a la aceleración de la velocidad de conmutación. Cuando el diodo antiparalelo SiC se combina con el IGBT rápido, la eficiencia de los inversores de potencia se mejora aún más.
3. Conmutación suave y tecnología multinivel
Por el principio de resonancia, la tecnología de conmutación suave puede hacer que la corriente o el voltaje en los dispositivos de conmutación cambien según una ley senoidal o cuasi-senoidal. Cuando la corriente cruza cero de forma natural, el dispositivo se apaga, y cuando el voltaje cruza cero de forma natural, el dispositivo se enciende, reduciendo así la pérdida por conmutación y resolviendo los problemas de desconexión inductiva y apertura capacitiva. Además, no hay pérdida por conmutación en el interruptor cuando el voltaje en ambos extremos del interruptor o la corriente que fluye a través del interruptor es cero, y el interruptor se enciende o apaga. Los inversores de potencia de tres niveles se usan principalmente en escenarios de alto voltaje y alta potencia, lo que aumenta la salida de nivel cero y reduce a la mitad la tensión en los dispositivos de potencia en comparación con la estructura tradicional de dos niveles. Por esta razón, los inversores de tres niveles pueden usar una inductancia de filtro de salida más pequeña que los inversores de dos niveles bajo la misma frecuencia de conmutación, lo que puede reducir eficazmente la pérdida por inductancia, el costo y el volumen. Mientras tanto, los inversores de potencia de tres niveles pueden adoptar una frecuencia de conmutación más baja, menor pérdida por conmutación y mayor eficiencia de conversión que los inversores de potencia de dos niveles bajo el mismo contenido armónico de salida.
