Подавляющее большинство моторов EV должны поставляться с синусоидальным 3-фазовым переменным током с частотой, пропорциональной до оборотов, и в подавляющем большинстве любимых способов сделать это с тройным инвертором напряжения половинки, или VSI.
В этой топологии каждый переключатель моста может подключить свой выходной терминал (т.е. обмотка моторной фазы) к положительному или отрицательному рельсу источника напряжения (то есть аккумулятор в EV, в дальнейшем называется +Vbatt и -vbatt), игнорируя, что убедительный выбор обоих переключателей выключен, а деструктивный выбор, следовательно, этот тип Inverter -это дополнительно описан как «2 -le -Level».
Выходная форма волны двухуровневого инвертора, работающего на фундаментальной частоте, представляет собой квадратную волну, и, хотя можно управлять двигателями переменного тока с квадратными волнами, им не очень нравится из-за высокого гармонического содержания, которое приводит к чрезмерному нагреванию, уменьшению максимального достижимого крутящего момента при любом обороне и большей вибрации. Традиционный подход к снижению гармонического содержания заключается в том, чтобы порубить каждый выходной импульс на многие срезы и модулирование их времени или служебных циклов синусоидально. Индуктивность моторных обмоток затем интегрирует эту пульсирующую форму волны напряжения в синусоидальный ток, с последующим улучшением крутящего момента, вибрации и потерь. Чем выше частота ШИМ, тем больше срезов для каждого выходного импульса, тем ниже общее гармоническое искажение, или THD, в текущей форме волны, которая может быть только хорошей вещью … пока это не будет, в любом случае.
Первым серьезным препятствием на пути увеличения частоты ШИМ без конца является то, что процент времени, проведенного на переходе (то есть выключение к включению и отключению), если выключатели не пропорционально быстрее. По мере того, как переключатель эффективно действует как резистор во время переходов, эти так называемые потери переключения увеличиваются с частотой ШИМ, при этом при равных. Тем не менее, используя более быстрые переключатели, такие как новейшие технологии SIC Mosfets и GaN Hemts (высокие транзисторы с мобильностью электронов),-подходит к своему собственному набору головных болей, так как вы можете переключаться от 400 на 800 В за 10-30 нс с этими технологиями, не означает, что вы должны; Чрезвычайно высокий DV / DT такого быстрого переключения дает потрясающие количества радиочастотного шума, а также вызывает обмотки и разрушающие подшипники для подшипника вала для потока. Фактически, правило, что говорит о том, что эффективная пропускная способность РЧ в MHZ переходного перехода в NS составляет 350 / DV / DT; Например, время переключения 10 нс приведет к значительной энергии радиочастотной энергии до 35 МГц.
Одним из решений для смягчения переключающих переходов без замедления коммутаторов является добавление фильтра LC с непосредственно после каждого вывода инвертора (особенно если двигатель находится в нескольких метрах, поскольку межконтактные кабели делают смущающие радио-антенны). Установка частоты отсечения фильтра на 1/10 -е место эффективной частоты полосы пропускания, как рассчитано выше (например, 3,5 МГц для предыдущего примера) будет достаточно для смягчения переходов, что резко уменьшит оскорбления RF -шума, при этом не введет достаточный фазовый сдвиг, чтобы вызвать проблемы с схемами управления вектором двигателя. Эти так называемые фильтры DV / DT не очень помогут с уменьшением токов общего режима, поскольку форма волны напряжения двигателя все равно будет очень сильно состоять из импульсов, которые охватывают полное напряжение батареи.
Для эффективной интеграции формы нарезанного напряжения в хорошую синусоидальную волну (то же самое, что и текущая форма волны), потребует частоты отсечения фильтра ЖК, которая была бы не выше 1/10, и фактическая частота ШИМ, и это займет гораздо больший объем (и стоил бы больше), в то время как почти наверняка внедряет достаточный фазовый сдвиг, чтобы вмешиваться в векторные управляющие шем, если не адресовано в жестком плане и/или программном обеспечении.
Другим способом снижения THD и уменьшения величины токов общего режима является добавление больше шагов к форме волны напряжения, генерируемой инвертором-многоуровневым инвертором или MLI, другими словами. Рисунок 1 иллюстрирует различия в формах волн напряжения, создаваемых обычным 2-уровневым инвертором против 3-уровневого и 5-уровневого MLIS. Трудно понять, как двухуровневый инвертор даже производит синусоидальный ток, тогда как он гораздо более очевиден в 3-уровневом и 5-уровневом MLIS. Также обратите внимание, что каждый импульс ШИМ в двухуровневом инверторе перепадает полное напряжение батареи, но только половина Vbatt для 3-уровневого MLI, а также четверть Vbatt для 5-уровневого MLI и т. Д. Цена, которую вы платите за более низкие и общие токи в режиме на заданной частоте PWM со всеми многоуровневыми топологиями), что они намного более сложные, чем их лете-летее, не являются достоверными, что они гораздо более сложны, чем в 2-лете (для 2-лето-летеповных (таковой, что они гораздо более сложны, чем у 2-лето-лето-лето (для 2-лето-летеповно-конверта (неверно-летепора (неверно-летее (не-летее (не в лете-лете (неверно-летее (не в летном. и вполне может быть не стоит платить по сравнению с более пластичными решениями в области дополнительной фильтрации ЖК, упрочнении двигателя против токов с общими режимами и т. Д.
Многоуровневые инверторы, очевидно, нуждаются в доступе к отдельным источникам напряжения для каждого уровня выходного напряжения, иначе должны косвенно создавать уровни напряжения.
Многоуровневые инверторы, очевидно, нуждаются в доступе к отдельным источникам напряжения для каждого уровня выходного напряжения (и для каждой моторной фазы для некоторых топологий MLI), или иначе должно создать уровни напряжения косвенно (обычно с емкостными дивидерами напряжения). Примером первого типа MLI является каскадный H-Bridge, который обнаружил некоторое использование в промышленных приложениях, поскольку отдельные напряжения DC могут быть предоставлены сетевым трансформатором с несколькими второстепенными, но не будут рассматриваться здесь, потому что это потребует схема Rube Goldberg, подобного расположению изолированных аккумуляторных аккумуляторов и зарядных устройств в EV.
Гораздо более простым способом генерирования различных уровней напряжения является емкостный делитель напряжения (примеры таких для 3- и 5-уровневых MLIS, показанных на рисунке 2), который действует как резистивный разделитель напряжения, хотя и только для чередующихся токов. Проводка двух конденсаторов с равными значениями в последовательности разделит напряжение шины пополам, а средняя точка станет новой ссылкой на 0 В для MLI (то есть этапа мощности 3-уровневого MLI генерирует импульсы с амплитудами +VBATT / 2, 0 V или -VBATT / 2, в соответствии с средней точкой).
Функция разделителя может быть расширена путем добавления большего количества пар конденсаторов, в этом случае средняя точка каждого соединения становится новым уровнем напряжения (поэтому 4 -капаситор разделитель для 5 -уровневой MLI создает уровни напряжения +VBATT / 2, +VBATT / 4, 0 V, -VBATT / 4 и -VBATT / 2, еще раз предполагают все значения капуста).
Нейтральная точка закрепленная и летающие конденсаторы Типы многоуровневых топологий инвертора используют одну и ту же структуру базовой стадии мощности, но различные методы генерации выходного уровня 0 В.
Каким бы выгодным могло бы уменьшить качание импульсов напряжения, в какой -то момент наступит закон уменьшающейся доходности, как требуется огромный объем конденсаторов — и сложность остальной части MLI — непосредственно с количеством уровней напряжения. Также важно отметить, что конденсаторы в делителях напряжения должны нести значительный ток волны, как на фундаментальной (моторной) частоте, так и частоте ШИМ, что означает, что они, вероятно, должны иметь относительно большие значения емкости (чтобы минимизировать напряжение Ripple от низкочастотой токи, которые не имеют минимальных убытков), которые не имеют минимальных поток), которые не имеют минимальных поток), которые не могут быть в высоких токах), что не может быть с минимальными потерями), которые не могут быть с минимальными. объемный.
Две из оригинальных многоуровневых топологий инвертора, которые можно использовать в EV, — это типы нейтральной точки (NPC) и летающих конденсаторов (FC), показанные на рисунках 3 и 4, соответственно, которые используют одну и ту же структуру базовой стадии мощности, но различные методы генерации выходного уровня 0 В. В каждом из этих 3-уровневых MLIS фазовая обмотка подключена к +vbatt, когда включен два верхних переключателя, или -VBatt, когда два нижних переключателя включены, но выходной выход 0 В генерируется непосредственно в типе NPC, включив внутренние два переключателя, в то время как в типе FC он генерируется невидимым в верхнем и нижнем переключате Чтобы разрядить его. Ни один из этих методов не позволяет активно сбалансировать заряд на конденсаторах разделителей, поэтому, как правило, не является большей волной напряжения, и, как уже упоминалось выше, тем больше волновой на конденсаторах разделителей, тем выше THD. Тип NPC легче контролировать (на самом деле гораздо проще), в то время как тип FC обладает более высокой толерантностью к разломам (конденсатор последовательно с моторными обмотками во время состояния 0 В) и может достичь более низкого окончательного THD, но взволно сложно контролировать и вводить террвирующую проблему того, как предварительно заряжать свои летающие конденсации во время стартапа.
Две топологии MLI, которые используют активные переключатели, чтобы лучше поддерживать баланс заряда на своих конденсаторах разделителей, сохраняя при этом способность обрабатывать нагрузки с широким диапазоном коэффициентов мощности (чтение: индукционные двигатели), являются активной нейтральной точкой (ANPC) и T-Type, показанные на рисунках 5 и 6, соответственно.
ANPC MLI заменяет зажимные диоды в NPC на переключатели, которые включаются в сочетании с соответствующим переключателем среднего моста, чтобы зажим, который намокает в среднюю точку конденсатора. Ключевое различие в работе по сравнению с пассивным зажимом с диодами заключается в том, что время переключателей зажима может варьироваться, чтобы лучше контролировать баланс заряда на конденсаторах разделителей.
T-тип MLI работает аналогичным образом, но сохраняет два переключателя, заменяя переключатели зажима и внутреннего моста одним двунаправленным переключателем (состоит из двух обычных однонаправленно блокирующих переключателей, которые подключаются к спину в спинку), который непосредственно соединяет фазовую намотку с дивидером средней точки, при условии обеспечения двунаправленного текущего потока, когда на включении и изоляционной сбои при выключении. Основное преимущество инвертора Т-типа состоит в том, что он использует стандартный тройной половинок для управления двигателем, но это также означает, что мостовые переключатели должны быть оценены, чтобы удобно выдержать полное напряжение аккумулятора, тогда как все другие топологии MLI рассматривались здесь, чтобы увидеть два переключателя последовательно во всех положениях моста). Оценка на половину блокирующего напряжения (в 3-уровневом MLI). Это особенно полезно для нынешних технологий GaN Hemts, поскольку они чаще всего достигают рейтинга 650 В постоянного тока, но не так уж и в значительной степени для SIC Mosfets (или более старые технологии Si IGBT), поскольку они широко доступны в рейтингах 1,2 кВ и 1,7 кВ, которые будут подойдут для аккумулятора в диапазоне VDC 600-800.
Существует множество других топологий MLI, которые являются еще более сложными, но они не будут рассмотрены здесь-значительное увеличение количества компонентов, переходящих от 2-уровневого VSI до любого из 3-уровневых (гораздо менее 5-уровневых!) MLI топологий, достаточно препятствия для их принятия. Другое препятствие состоит в том, что все топологии MLI требуют изменений в схемах управления переключателем на стадии мощности, что означает, что их разработка будет гораздо дороже (и займет больше времени, чем предполагалось, но разве это не всегда?). Когда кто-то также считает, что только конденсаторы, требуемые большинством топологий MLI, только сами по себе сами по себе, вероятно, займут столько же объема, сколько и полное 2-уровневое VSI (чтобы не сказать ничего из летающих конденсаторов в FC MLI), и что существенное снижение выбросов RF-шума-и даже общие выводы, выпускаются,-на 2-й, просто на фазах, на 2-й, и даже на фазах,-на 2-й, и даже на фазах,-на 2-or-vs-vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs u-vs vs vs vs vs vs u-res wr-res. Аргумент для MLIS в EVS сложный для продажи.
Эта статья впервые появилась в выпуске 70: октябрь-декабрь 2024 года-подписаться сейчас.
