Sprawność falownika mocy jest bezpośrednio związana z generowaną energią systemu, dlatego jest to ważny wskaźnik, na którym klientom bardzo zależy. Zwiększenie sprawności konwersji falownika mocy ma ogromne znaczenie.
Jedynym sposobem na poprawę sprawności falowników mocy jest zmniejszenie strat. Główne straty falowników pochodzą z IGBT, MOSFET i innych tranzystorów mocy, a także z urządzeń magnetycznych, takich jak transformatory i dławiki, co jest związane z prądem, napięciem oraz procesem zastosowanym w wybranych materiałach.
| Element | Typ | Czynniki | Środki zaradcze |
| IGBT | Straty przełączania (dynamiczne) | Częstotliwość przełączania, napięcie stałe | Wielopoziomowy, strategia sterowania |
| Straty przewodzenia (statyczne) | Prąd, wewnętrzna rezystancja elementu | Miękkie przełączanie, nowy element | |
| Dławik | Straty żelazne (straty jałowe) | Pojemność, oporność magnetyczna | Poprawa częstotliwości przełączania i materiału przewodzącego magnetycznie |
| Straty miedziane (straty obciążeniowe) | Prąd, rezystancja wewnętrzna | Dobre materiały przewodzące |
Straty IGBT
Można je podzielić na straty przewodzenia i straty przełączania. Straty przewodzenia są związane z wewnętrzną rezystancją i prądem przepływającym przez elementy, natomiast straty przełączania zależą od częstotliwości przełączania elementów oraz napięcia stałego, które elementy wytrzymują.
Straty dławika
Można je podzielić na straty miedziane i straty żelazne. Straty miedziane to straty spowodowane rezystancją cewki dławika. Gdy prąd przepływa przez rezystancję cewki, energia elektryczna częściowo zamienia się w ciepło i jest tracona. Ponieważ cewka jest zwykle owinięta izolowanym drutem miedzianym, nazywa się to stratami miedzianymi, które można obliczyć, mierząc impedancję zwarciową transformatorów. Straty żelazne obejmują dwie składowe: straty histerezowe i prądy wirowe, które można obliczyć, mierząc prąd jałowy transformatorów.
Techniki poprawy sprawności falowników
Obecnie istnieją trzy techniczne metody poprawy sprawności falowników mocy.
- Po pierwsze, stosuje się modulację szerokości impulsu z wektorem przestrzennym i inne metody sterowania w celu zmniejszenia strat.
- Po drugie, wykorzystuje się elementy wykonane z węglika krzemu, aby zmniejszyć wewnętrzną rezystancję urządzeń mocy.
- Po trzecie, stosuje się topologie elektryczne trójpoziomowe, pięciopoziomowe, wielopoziomowe oraz technologię miękkiego przełączania, aby zmniejszyć napięcie na końcach urządzeń mocy oraz częstotliwość ich przełączania.
1. Modulacja szerokości impulsu z wektorem przestrzennym (SVPWM)
SVPWM to w pełni cyfrowa metoda sterowania, charakteryzująca się wysokim wykorzystaniem napięcia stałego i łatwością sterowania, która jest szeroko stosowana w falownikach mocy. Dzięki wysokiemu wykorzystaniu napięcia stałego można użyć niższego napięcia szyny DC przy tym samym napięciu wyjściowym, co zmniejsza naprężenia napięciowe na urządzeniach przełączających, redukuje straty przełączania i w pewnym stopniu poprawia sprawność konwersji falowników mocy. W syntezie wektorów przestrzennych istnieje wiele kombinacji sekwencji wektorów. Poprzez różne kombinacje i sortowanie można osiągnąć efekt zmniejszenia liczby przełączeń urządzeń mocy, co dodatkowo redukuje straty przełączania falowników mocy.
2. Wykorzystanie elementów wykonanych z węglika krzemu
Impedancja na jednostkę powierzchni urządzeń z węglika krzemu wynosi tylko jeden procent impedancji urządzeń krzemowych, a IGBT (tranzystor bipolarny z izolowaną bramką) i inne urządzenia mocy wykonane z węglika krzemu mogą zmniejszyć impedancję w stanie przewodzenia do jednej dziesiątej w porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami krzemowymi. Technologia węglika krzemu skutecznie redukuje prąd zwrotny diod, co pozwala zmniejszyć straty przełączania urządzeń mocy oraz wymaganą zdolność prądową głównego przełącznika. Dlatego dioda antyrównoległa z diodą z węglika krzemu jako głównym przełącznikiem jest sposobem na poprawę sprawności falowników mocy. W porównaniu z tradycyjną szybką diodą antyrównoległą, dioda z węglika krzemu znacząco redukuje prąd zwrotny i poprawia całkowitą sprawność konwersji o 1%. Po zastosowaniu szybkiego IGBT sprawność całego urządzenia może wzrosnąć o 2% dzięki przyspieszeniu prędkości przełączania. Gdy dioda antyrównoległa SiC jest połączona z szybkim IGBT, sprawność falowników mocy zostaje dodatkowo poprawiona.
3. Technologia miękkiego przełączania i wielopoziomowa
Na zasadzie rezonansu technologia miękkiego przełączania pozwala, aby prąd lub napięcie w urządzeniach przełączających zmieniały się zgodnie z prawem sinusoidalnym lub quasi-sinusoidalnym. Gdy prąd naturalnie przechodzi przez zero, urządzenie jest wyłączane, a gdy napięcie naturalnie przechodzi przez zero, urządzenie jest włączane, co zmniejsza straty przełączania i rozwiązuje problemy związane z rozłączaniem indukcyjnym i załączaniem pojemnościowym. Ponadto, gdy napięcie na końcach przełącznika lub prąd przez niego płynący wynosi zero, nie występują straty przełączania podczas włączania lub wyłączania. Trójpoziomowe falowniki mocy są głównie stosowane w scenariuszach wysokiego napięcia i dużej mocy, co zwiększa wyjście na poziomie zerowym i zmniejsza naprężenia napięciowe urządzeń mocy o połowę w porównaniu z tradycyjną strukturą dwupoziomową. Dzięki temu trójpoziomowe falowniki mogą stosować mniejszą indukcyjność filtra wyjściowego niż dwupoziomowe przy tej samej częstotliwości przełączania, co skutecznie zmniejsza straty indukcyjne, koszty i rozmiar. Jednocześnie trójpoziomowe falowniki mocy mogą pracować przy niższej częstotliwości przełączania, mniejszych stratach przełączania i wyższej sprawności konwersji niż dwupoziomowe falowniki mocy przy tym samym poziomie zawartości harmonicznych wyjścia.
