วิธีเพิ่มประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าอย่างไร?

ประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้ามีความสัมพันธ์โดยตรงกับพลังงานที่ระบบผลิตได้ ดังนั้นจึงเป็นตัวชี้วัดที่ลูกค้าให้ความสำคัญอย่างมาก การเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงของอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

วิธีเดียวที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าคือการลดการสูญเสีย การสูญเสียหลักของอินเวอร์เตอร์มาจาก IGBT, MOSFET และท่อสวิตช์พลังงานอื่น ๆ รวมถึงอุปกรณ์แม่เหล็กเช่นหม้อแปลงและตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า และกระบวนการที่ใช้วัสดุที่เลือก

การสูญเสียของ IGBT

สามารถแบ่งออกเป็นการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าและการสูญเสียจากการสวิตช์ โดยการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าจะเกี่ยวข้องกับความต้านทานภายในและกระแสที่ไหลผ่านส่วนประกอบ ส่วนการสูญเสียจากการสวิตช์จะเกี่ยวข้องกับความถี่การสวิตช์ของส่วนประกอบและแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ส่วนประกอบทนได้

การสูญเสียของตัวเหนี่ยวนำ

สามารถแบ่งออกเป็นการสูญเสียทองแดงและการสูญเสียเหล็ก โดยการสูญเสียทองแดงหมายถึงการสูญเสียที่เกิดจากความต้านทานของขดลวดเหนี่ยวนำ เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านความต้านทานของขดลวดเหนี่ยวนำและทำให้เกิดความร้อน พลังงานไฟฟ้าบางส่วนจะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนและสูญเสียไป เนื่องจากขดลวดมักพันด้วยสายทองแดงที่มีฉนวน จึงเรียกว่าการสูญเสียทองแดง ซึ่งสามารถคำนวณได้จากการวัดอิมพีแดนซ์ลัดวงจรของหม้อแปลง การสูญเสียเหล็กรวมถึงสองส่วนคือ การสูญเสียฮิสเทอรีซิสและการสูญเสียกระแสไหลวน ซึ่งสามารถคำนวณได้จากการวัดกระแสไม่มีโหลดของหม้อแปลง

เทคนิคในการเพิ่มประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์

ปัจจุบันมีเส้นทางเทคนิคสามวิธีในการเพิ่มประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้า

• ประการแรก ใช้วิธีการควบคุมเช่นการมอดูเลตความกว้างพัลส์เวกเตอร์ในเชิงพื้นที่เพื่อลดการสูญเสีย
• ประการที่สอง ใช้ส่วนประกอบที่ทำจากวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์เพื่อลดความต้านทานภายในของอุปกรณ์พลังงาน
• ประการที่สาม ใช้โครงสร้างไฟฟ้าระดับสาม ระดับห้า หลายระดับ และเทคโนโลยีการสวิตช์แบบนุ่มนวลเพื่อลดแรงดันที่ปลายทั้งสองของอุปกรณ์พลังงานและความถี่การสวิตช์ของอุปกรณ์พลังงาน

1. การมอดูเลตความกว้างพัลส์เวกเตอร์ในเชิงพื้นที่ (SVPWM)

SVPWM เป็นวิธีการควบคุมแบบดิจิทัลเต็มรูปแบบที่มีข้อดีคือการใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงได้สูงและควบคุมง่าย ซึ่งถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้า ด้วยการใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงอย่างมีประสิทธิภาพ สามารถใช้แรงดันบัส DC ที่ต่ำกว่าได้ภายใต้แรงดันขาออกเท่ากัน ซึ่งช่วยลดความเครียดของแรงดันไฟฟ้าบนอุปกรณ์สวิตช์พลังงาน ลดการสูญเสียจากการสวิตช์บนอุปกรณ์ และเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงของอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าในระดับหนึ่ง ในการสังเคราะห์เวกเตอร์ในเชิงพื้นที่ มีการจัดลำดับเวกเตอร์หลายแบบ ผ่านการจัดลำดับและการรวมกันที่แตกต่างกัน สามารถลดจำนวนครั้งการสวิตช์ของอุปกรณ์พลังงานได้ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากการสวิตช์ของอุปกรณ์อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าได้มากขึ้น

2. การใช้ส่วนประกอบที่ทำจากวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์

อิมพีแดนซ์ต่อหน่วยพื้นที่ของอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์มีเพียง 1% ของอุปกรณ์ซิลิกอน และ IGBT (ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์เกตฉนวน) และอุปกรณ์พลังงานอื่น ๆ ที่ทำจากซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถลดอิมพีแดนซ์ในสถานะเปิดได้เหลือเพียงหนึ่งในสิบของอุปกรณ์ซิลิกอนทั่วไป เนื่องจากเทคโนโลยีซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถลดกระแสฟื้นกลับย้อนกลับของไดโอดได้อย่างมีประสิทธิภาพ การสูญเสียจากการสวิตช์ของอุปกรณ์พลังงานและความจุกระแสที่ต้องการสำหรับสวิตช์หลักจึงลดลงด้วย ดังนั้น ไดโอดคู่ขนานแบบย้อนกลับที่ใช้ไดโอดซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นสวิตช์หลักจึงเป็นวิธีหนึ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้า เมื่อเทียบกับไดโอดคู่ขนานแบบฟื้นกลับเร็วแบบดั้งเดิม ไดโอดคู่ขนานที่ทำจากซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถลดกระแสฟื้นกลับย้อนกลับได้อย่างมากและเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงโดยรวมได้ 1% หลังจากใช้ IGBT แบบเร็ว ประสิทธิภาพการแปลงของเครื่องทั้งหมดสามารถเพิ่มขึ้นได้ 2% เนื่องจากความเร็วการสวิตช์ที่เร็วขึ้น เมื่อไดโอดคู่ขนาน SiC รวมกับ IGBT แบบเร็ว ประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าจะดีขึ้นอีก

3. การสวิตช์แบบนุ่มนวลและเทคโนโลยีหลายระดับ

ตามหลักการเรโซแนนซ์ เทคโนโลยีการสวิตช์แบบนุ่มนวลสามารถทำให้กระแสหรือแรงดันในอุปกรณ์สวิตช์เปลี่ยนแปลงตามกฎไซน์หรือกึ่งไซน์ เมื่อกระแสผ่านศูนย์อย่างเป็นธรรมชาติ อุปกรณ์จะปิด และเมื่อแรงดันผ่านศูนย์อย่างเป็นธรรมชาติ อุปกรณ์จะเปิด ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากการสวิตช์และแก้ปัญหาการตัดการเหนี่ยวนำและการเปิดตัวเก็บประจุ นอกจากนี้ เมื่อแรงดันที่ปลายทั้งสองของสวิตช์หรือกระแสที่ไหลผ่านสวิตช์เป็นศูนย์ จะไม่มีการสูญเสียจากการสวิตช์เมื่อสวิตช์เปิดหรือปิด อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าระดับสามถูกใช้ในสถานการณ์แรงดันสูงและกำลังสูง ซึ่งเพิ่มระดับศูนย์ของเอาต์พุตและลดความเครียดของแรงดันไฟฟ้าบนอุปกรณ์พลังงานลงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับโครงสร้างแบบสองระดับแบบดั้งเดิม ด้วยเหตุนี้ อินเวอร์เตอร์ระดับสามจึงสามารถใช้ตัวเหนี่ยวนำกรองเอาต์พุตที่มีขนาดเล็กกว่าของอินเวอร์เตอร์ระดับสองภายใต้ความถี่การสวิตช์เท่ากัน ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากตัวเหนี่ยวนำ ต้นทุน และขนาดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกัน อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าระดับสามสามารถใช้ความถี่การสวิตช์ที่ต่ำกว่า การสูญเสียจากการสวิตช์ที่ต่ำกว่า และมีประสิทธิภาพการแปลงที่สูงกว่าของอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าระดับสองภายใต้เนื้อหาความผิดเพี้ยนของเอาต์พุตเท่ากัน