Ефективність перетворювача потужності безпосередньо пов’язана з виробленою енергією системи, тому це важливий показник, який дуже цікавить клієнтів. Дуже важливо підвищувати коефіцієнт корисної дії перетворювача потужності.
Єдиний спосіб покращити ефективність перетворювачів потужності — зменшити втрати. Основні втрати перетворювачів походять від IGBT, MOSFET та інших силових ключових трубок, а також від магнітних пристроїв, таких як трансформатори та індуктивності, що пов’язано з струмом, напругою та технологією, яку застосовують обрані матеріали.
| Компонент | Тип | Фактори | Заходи |
| IGBT | Втрати при перемиканні (динамічні) | Частота перемикання, постійна напруга | Багаторівневий, стратегія керування |
| Втрати при провідності (статичні) | Струм, внутрішній опір компонента | М’яке перемикання, новий компонент | |
| Індуктивність | Втрати в залізі (безнавантажувальні втрати) | Ємність, магнітний опір | Покращення частоти перемикання та магнітного провідного матеріалу |
| Втрати в міді (навантажувальні втрати) | Струм, внутрішній опір | Якісні провідні матеріали |
Втрати IGBT
Їх можна поділити на втрати при провідності та втрати при перемиканні. Втрати при провідності пов’язані з внутрішнім опором і струмом, що проходить через компоненти, тоді як втрати при перемиканні залежать від частоти перемикання компонентів і постійної напруги, яку вони витримують.
Втрати індуктивності
Їх можна поділити на втрати в міді та втрати в залізі. Втрати в міді — це втрати, спричинені опором індуктивної котушки. Коли струм проходить через опір котушки, він нагріває її, і частина електричної енергії перетворюється на теплову і втрачається. Оскільки котушка зазвичай обмотана ізольованим мідним дротом, ці втрати також називають втратами в міді, які можна розрахувати, вимірюючи короткозамкнений імпеданс трансформаторів. Втрати в залізі включають два аспекти: гістерезисні втрати та втрати на вихрові струми, які можна розрахувати, вимірюючи безнавантажувальний струм трансформаторів.
Техніки підвищення ефективності перетворювачів
Наразі існує три технічні напрямки для підвищення ефективності перетворювачів потужності.
- По-перше, використання просторово-векторної широтно-імпульсної модуляції та інших методів керування для зменшення втрат.
- По-друге, застосування компонентів із карбіду кремнію для зниження внутрішнього опору силових пристроїв.
- По-третє, використання трирівневої, п’ятирівневої, багаторівневої електричної топології та технології м’якого перемикання для зниження напруги на обох кінцях силових пристроїв і частоти їх перемикання.
1. Просторово-векторна широтно-імпульсна модуляція (SVPWM)
SVPWM — це повністю цифровий метод керування з перевагами високого коефіцієнта використання постійної напруги та простоти керування, який широко застосовується в перетворювачах потужності. Завдяки високому використанню постійної напруги можна застосовувати нижчу напругу постійного струму при тій самій вихідній напрузі, що знижує напругове навантаження на силові ключі, зменшує втрати при перемиканні на пристроях і певною мірою підвищує коефіцієнт корисної дії перетворювачів потужності. У просторі векторного синтезу існує багато комбінацій послідовностей векторів. Через різні комбінації та сортування можна досягти зменшення кількості перемикань силових пристроїв, що додатково знижує втрати при перемиканні в перетворювачах потужності.
2. Використання компонентів із карбіду кремнію
Імпеданс на одиницю площі пристроїв із карбіду кремнію становить лише один відсоток від імпедансу кремнієвих пристроїв, а IGBT (ізольований біполярний транзистор) та інші силові пристрої з карбіду кремнію можуть знизити опір у відкритому стані до однієї десятої від звичайних кремнієвих пристроїв. Оскільки технологія карбіду кремнію ефективно знижує струм зворотного відновлення діодів, це також зменшує втрати при перемиканні силових пристроїв і знижує струмове навантаження на головний ключ. Тому антипаралельний діод із карбіду кремнію як головний ключ — це спосіб підвищення ефективності перетворювачів потужності. Порівняно з традиційним швидкодіючим антипаралельним діодом, діод із карбіду кремнію значно знижує струм зворотного відновлення і підвищує загальний коефіцієнт корисної дії на 1%. Після використання швидкодіючого IGBT коефіцієнт корисної дії всього пристрою може підвищитися на 2% завдяки прискоренню швидкості перемикання. Коли SiC-антипаралельний діод поєднується зі швидкодіючим IGBT, ефективність перетворювачів потужності підвищується ще більше.
3. М’яке перемикання та багаторівнева технологія
За принципом резонансу технологія м’якого перемикання дозволяє струму або напрузі в силових пристроях змінюватися за синусоїдальним або квазі-синусоїдальним законом. Коли струм природно проходить через нуль, пристрій вимикається, а коли напруга природно проходить через нуль, пристрій вмикається, що знижує втрати при перемиканні і вирішує проблеми індуктивного розмикання та ємнісного замикання. Крім того, у момент, коли напруга на обох кінцях ключа або струм через нього дорівнюють нулю, перемикач вмикається або вимикається без втрат при перемиканні. Трирівневі перетворювачі потужності переважно використовуються у високовольтних і високопотужних застосуваннях, що збільшує вихід нульового рівня і знижує напругове навантаження на силові пристрої вдвічі порівняно з традиційною двохрівневою структурою. Завдяки цьому трирівневі перетворювачі можуть використовувати менший вихідний фільтрувальний індуктивність, ніж двохрівневі при тій самій частоті перемикання, що ефективно знижує втрати в індуктивності, вартість і габарити. Водночас трирівневі перетворювачі потужності можуть працювати на нижчій частоті перемикання, з меншими втратами при перемиканні і вищою ефективністю перетворення, ніж двохрівневі при однаковому вмісті гармонік на виході.
