Dobbeltmodus spoler lærer gamle omformere nye triks

Mindre omformere etterspørres:  Viktige endringer i hvordan elektrisitet genereres og brukes - som økt avhengighet av energi fra fornybare kilder, endringer mot effektive drivere for variabel hastighet i industrielle- og husholdningsapparater, og mer bruk av hybrid- eller batterielektriske kjøretøy – gir økte krav til elektroniske omformere som kan styres for å gi vekselstrøm ved ønsket spenning og frekvens.

Distribuert kraftproduksjon
Hvis vi tar fornybar energi som et eksempel, har energiselskapenes strategier beveget seg mot distribuert kraftproduksjon, med mikrogeneratorer som mates inn i nettet på flere punkter i nettverket. Det er også interesse for små, ikke-nettbaserte generatorer for distribusjon på forbruker- eller landbruks- og lette kommersielle/industrielle anlegg. Disse applikasjonene krever kompakt og lavkost elektronisk kraftkondisjonering for å konvertere den harmonisk rike og ustabile produksjonen fra en vindturbin, eller endring av DC-utgangen fra en rekke solcellepaneler, først til høyspent, kondensatorstabilisert DC som blir input til en inverter for å generere en konsistent vekselstrøm med en frekvens som er egnet for innføring i nettet.

Elkjøretøy
På samme måte skal de i hybrid/EV- eller motordrev, der konstant justering av omformerens utgangsfrekvens ved hjelp av logikk- eller programkommandoer, styre motorhastigheten, ha kompakte dimensjoner, lav vekt og lave kostnader for å sikre markedsvekst.

Driftsprinsipper og støykilder
En omformer som broinverteren vist i figur 1 kommuterer strøm gjennom lasten ved å slå på og av de øvre og nedre strømbryterne i alternative ben, i rekkefølge. Kraftsvitsjene kan være «Insulated Gate Bipolar Transistors» (IGBT) eller super-junction-MOSFET, eller – i høyende applikasjoner som elektriske kjøretøy eller hvor man krever optimal energieffektivitet – komponenter med bredt båndgap som silisiumkarbid (SiC) MOSFET. Hver port styres i sekvens i forhold til alle andre ved hjelp av et pulsbreddemodulert (PWM) signal.

Hurtige endringer
Hvis strømbryteren er IGBT, er frekvensen av PWM-signalene som er påført hver port, typisk rundt 20kHz. MOSFET kan operere med mye høyere frekvenser, opp til flere hundre kHz. I begge tilfeller gir hurtigkobling plutselige endringer i spenningen over transistorene, og forårsaker svingninger som inneholder høyfrekvent støy ved harmoniske frekvenser i svitsjefrekvensen. I en IGBT-basert inverter for en vind- eller solcellegenerator kan støysignaler eksistere ved frekvenser opptil 1 MHz eller mer. Disse og andre støykilder, for eksempel DC/DC-omformer som svitsjer andre steder i systemet, koblet til vekselstrømledningene, kan svekke utgangseffektkvaliteten og forårsake forstyrrelser. Dette kan påvirke systemets egne styresignaler, for eksempel analoge retursignaler, samt nærliggende utstyr.

Begrensninger
For å forhindre slik forvrengning og interferens, stiller standarder som IEEE 1547 og UL 1741, som gjelder omformere for distribuerte kraftsystemer som vind- eller solgeneratorer, begrensninger på det harmoniske innholdet som er tillatt ved omformerens utgang. Utstrålt elektromagnetisk interferens (EMI) er også underlagt grenser pålagt i standarder som FCC del 15 B.

Redusere svitsjestøyen
For å overholde gjeldende spesifikasjoner for støy og elektromagnetisk kompatibilitet, fjerner filtre som er plassert i hele systemet, harmoniske fra spennings- og strømkurver, korrigerer effektfaktoren ved å sikre at spenning og strømbølgeformer er i fase, og minimerer forvrengning.

Filtre
Figur 2 viser plassering av filtre for å dempe støy i et solenergi-kraftverk. Filteret på omformerens utgang er utformet for å fjerne svitsjefrekvenstransienter og inneholder en kombinasjon av X- og Y-kondensatorer, induktorer og spoler for å fjerne common-mode og differensialmodusstøy ved hoved-harmoniske til svitsjefrekvensen.

Figur 3 viser i mer detalj filterets sammensetning. I prinsippet fjerner X-kondensatorer og spoler differensialmodusstøy, mens Y-kondensatorer og common-mode-induktorer fjerner common-mode-støy. Common-mode-støy vises i samme retning på to ledere, mens differensialmodusstøy vises i motsatt retning på to ledere.

Common-mode-spole
Common-mode-spolen som vist i figur 3 er en fire-terminal enhet som består av to ledende kabler pakket i motsatte retninger rundt en enkel magnetkjerne. Vanligvis består denne kjernen av et ferritmateriale. Siden magnetisk fluks strømmer inn i kjernen, fungerer common-mode-spolene som induktorer med høy impedans mot common-modus strøm (støy) samtidig som ønsket differentialstrøm kan passere.

Demper forvrengning
Når det gjelder common-mode-spolen, vil identiske strømmer som går i motsatt retning gjennom spoleviklingene skape like og motsatte magnetfelt som kansellerer hverandre slik at spolen gir minimal impedans for strømmen som går inn i lasten og tilbake gjennom returveien. Differensiell støy refererer til forvrengninger som forårsaker forskjeller mellom disse to strømmene. På grunn av disse forskjellige signalene vil ikke magnetfeltene kansellere, men vil i stedet vise høy impedans som demper forvrengningen.

Avansert filterteknologi for lettvekts invertere
Etter hvert som avhengigheten av fornybar energi vokser, vil elektriske kjøretøy og diverse motordrivere etterspørre omformere som er kompakte, lette og rimelige. Bransjen er på utkikk etter måter å redusere størrelse, vekt og pris på typisk store komponenter som filtreringskondensatorer og spoler.

Dobbeltmodus-spoler
KEMETs proprietære ferrittkjernematerialer gjør det ikke bare mulig å redusere størrelsen på standardspolene, men gjør det nå også mulig å lage dobbeltmodus-spoler som kombinerer common-mode- og differensialmodusfiltrering i samme pakke. De overordnede dimensjonene er sammenlignbar med en konvensjonell common-mode spole. Figur 4 illustrerer prinsippet. KEMET har også benyttet seg av den ekstra designfleksibiliteten som ligger i de proprietære materialene for å optimalisere formen på disse dobbeltmodus-spolene, noe som resulterer i overlegen differensialmodus (normal modus) støyundertrykkelse.

Høy ytelse
Figur 5 illustrerer den høye ytelsen til SSHB10 dobbeltmodus-spolen, og viser høy impedans for både common-mode og differensialmodus-støy. Standardtypen, representert i figuren ved SSHB10H-04320, er optimalisert for høy temperaturytelse. SSHB10H-R04760 har et kjernemateriale med økt permeabilitet, noe som ytterligere øker impedansen til common-mode-støy samtidig som identisk differensialmodusytelse opprettholdes. Begge spolene har nominell strøm på inntil 3A.

Gir ekstra frihet
Etterspørselen etter kompakte, lette kraftomformere forventes å stige, på tvers av grønn energi-, industri- og bilmarkeder. Avanserte magnet-teknologier som kan forminske store støyfiltre og redusere antall komponenter, gir nå designere ekstra frihet til å nå disse målene.