1 UVOD Razvoj močnostnih pretvornikov je neposredno povezan z razvojem polprevodniških močnostnih stikal [1]. Obenem morajo pretvorniki seveda izpolniti zahteve, ki jih narekuje uporaba novih tehnologij na strani porabnikov [2]. Najpomembnejša naloga pretvornika je, da pretvori razpoložljivo električno energijo vira s čim večjim izkoristkom in zagotovi ustrezne napetostne in tokovne razmere za optimalno delovanje porabnika. V literaturi najdemo nekaj člankov, ki opisujejo stanje in nedavni napredek bodisi močnostne elektronike bodisi električnih strojev. Tako je Bose v zaporednih člankih iz let 1993 [3] in 2008 [4] objavil splošen pregled stanja tehnologije in prihodnjih trendov na področju močnostne elektronike. Podoben pregled ponudi tudi Jahns s poudarkom na razvoju močnostne elektronike za pogone v industriji in v električni vleki [5]. Williamson et al. se osredinjajo na trenutno stanje in prihodnje izzive v industrijski elektroniki za elektrifikacijo transporta, predvsem pogonskih sklopov vozil [6]. Pregledni članki v literaturi sicer podajo zanimiv pregled stanja na področju močnostne elektronike, žal pa ponudijo precej pomanjkljiv pregled predvsem večnivojskih in večfaznih topologij pogonov ter le površno opišejo napredek na področju simulacijsko podprtega načrtovanja pogonov. V nadaljevanju bomo tako podrobneje obravnavali smeri razvoja močnostnih pretvornikov na področju elektromotorskih pogonov s poudarkom na novih topologijah električnih pogonov, novih tehnologijah močnostnih stikal ter najnovejših postopkih načrtovanja pogonov. 2 TOPOLOGIJE ELEKTRIČNIH POGONOV Najbolj uporabljana topologija pretvornika v električnih pogonih je klasični trifazni trivejni dvonivojski mostič B6, ki je priklopljen na trifazni stroj (slika 1) [7], [8]. Topologija je preprosta, zelo dobro poznana in uporablja malo elementov. S povečevanjem moči pogona pa trčimo ob omejitve topologije. Pri povečevanju moči z dvigom napetosti delovanja smo omejeni s prebojno napetostjo Prejet 29. avgust, 2019 Odobren 29. november, 2019 238 RIHAR, NEMEC, LAVRIČ, ZAJEC, VONČINA uporabljenih polprevodnikov. Pri povečevanju toka sta omejitev tokovna zmogljivost polprevodnikov in stroja ter povečevanje izgub v povezovalnih vodnikih. Ti dve težavi rešujejo bolj kompleksne topologije, ki jih v grobem lahko delimo na serijske in paralelne. Slika 1: Trivejni trifazni dvonivojski mostič in trifazni stroj 2.1 Serijske topologije pogonov V okviru termina serijske topologije pogonov zajemamo predvsem večnivojske močnostne pretvornike, ki pa običajno vključno s strojem ostajajo trifazni [9]. Splošno gledano je dandanes raziskanih več različic večnivojskih pretvornikov [10], [11], kot so: simetrična in asimetrična kaskadna izvedba [12], izvedba z ločilnimi diodami [13], T-izvedba [13], [14], izvedba z ločilnimi kondenzatorji [15], generalizirane izvedbe [16], [17] in še nekaj drugih [18], [19], [20]. Posamične izvedbe imajo pripadajoče prednosti in slabosti, ki posredno omejujejo možnost uporabe v specifičnih aplikacijah. Trenutno so večnivojski pretvorniki sicer večinoma uporabljani v aplikacijah, povezanih z mikroomrežji in fotovoltaiko [21], čedalje pogosteje pa se pojavljajo tudi na področju napajanja električnih strojev [9], [22], [23]. Osnovne prednosti večnivojskih topologij so: manjše harmonsko popačenje izhodne napetosti (THD – angl. Total harmonic distortion), manjše sofazne napetosti (angl. Common-mode voltages), manjše preklopne izgube zaradi nižjih strmin napetosti ob preklopih ter predvsem možnost uporabe stikal za nižje napetosti, saj posamično stikalo pri nekaterih topologijah prevzame zgolj polovično napetost enosmernega vmesnega tokokroga [10]. Zahvaljujoč temu je pričakovati izboljšanje obratovanja z vidika elektromagnetnih motenj (EMI – angl. Electromagnetic interference), ne le na višjih, temveč tudi na nižjih napetostnih nivojih. Namesto uporabe visokonapetostnih IGBT stikal je pričakovati pogostejšo uporabo tudi nižjenapetostnih MOSFET stikal, s katerimi bo mogoče dodatno zmanjšati izgubne moči. Poglavitne pomanjkljivosti večnivojskih pretvornikov so večje število potrebnih stikal in drugih komponent, prav tako pa večje število pripadajočih prožilnih vezij in kompleksnejši algoritmi proženja [16], [24]. 2.1.1 Kaskadna izvedba s H-mostiči Kaskadna izvedba je nadgradnja osnovnega H-mostiča (glej sliko 2). Na izhodu posameznega H-mostiča je z vklopom diagonalnih tranzistorjev mogoče dobiti napetostna nivoja +UDC in –UDC. V kaskadni izvedbi je več H-mostičev povezanih v serijo (glej sliko 3), vsak mostič pa ima svoj ločen, izoliran enosmerni napetostni vir. Slika 2: Osnovna izvedba H-mostiča z MOSFET stikali Vsak mostič je mogoče krmiliti neodvisno, izhodni napetostni nivo pa pomeni vsoto posameznih izhodnih nivojev. Z uporabo napetostnih virov različnih nivojev (na primer 10 V, 30 V in 90 V) je z različnimi modulacijskimi pristopi (seštevanje in odštevanje) mogoče doseči še večje število nivojev izhodne napetosti, s tem pa dodatno zmanjšanje harmonskega popačenja napetosti. Slika 3: Shematski prikaz kaskadne izvedbe večnivojskega pretvornika s H-mostiči Taka napetost omogoča manjšo valovitost navora v motorju in dodatno zmanjšanje harmonskih izgub v stroju [25], [26]. Prednosti kaskadne izvedbe v primerjavi z drugimi sta predvsem potreba po manjšem številu komponent za dodaten nivo napetosti in izrazito modularna struktura. Uravnavanje napetostnih nivojev enosmernih virov je mogoče z razmeroma preprostimi modulacijskimi metodami. Osnovna slabost je dejstvo, da je potrebnih več napetostnih virov, posledično lahko cena naraste, ker je potrebnih več kondenzatorjev. 2.1.2 T-izvedba večnivojskega pretvornika T-izvedba je nadgradnja H-mostiča, pri kateri je uporabljena le ena tranzistorska veja, dve stikali pa sta namesto v ločeni tranzistorski veji uporabljeni kot aktivno dvosmerno stikalo v povezavi do srednjega odcepa enosmernega vmesnega tokokroga (glej sliko 4) [27]. Kljub možnosti večjega števila nivojev izhodne napetosti sta le horizontalna MOSFET-a lahko normirana na polovično napajalno napetost, medtem ko morata biti vertikalna MOSFET-a še vedno sposobna vzdržati celotno napajalno napetost. Prevodne in stikalne izgube je ob enakem številu potrebnih TRENDI V RAZVOJU MOČNOSTNE ELEKTRONIKE ZA VODENJE ELEKTRIČNIH STROJEV 239 elementov mogoče delno zmanjšati, slabost pa je potreba po dodatnem galvansko ločenem prožilnem vezju. Slika 4: Ena fazna veja trinivojske T-izvedbe 2.1.3 Izvedba z ločilnimi diodami Izvedba z ločilnimi diodami (NPC – angl. Neutral-Point Clamped) prav tako omogoča doseganje večjega števila nivojev izhodne napetosti zahvaljujoč deljenemu enosmernemu vmesnemu tokokrogu, s katerim napajalno napetost UDC razdelimo na enakomerne dele. a) b) Slika 5: Ena fazna veja a) trinivojskega in b) petnivojskega NPC pretvornika Pri trinivojskem pretvorniku na sliki 5a tako na primer potrebujemo dve polovici napetosti enosmernega vmesnega tokokroga in na izhodu dosegamo tri napetostne nivoje: +UDC/2 (zgornja tranzistorja), 0 (srednja tranzistorja) in -UDC/2 (spodnja tranzistorja). Dvosmerno stikalo T-izvedbe je tu nadomeščeno z dvema ločilnima diodama, ob tem pa je podvojeno število vertikalnih tranzistorjev. Taka vezava omogoča uporabo tranzistorjev z nižjimi nazivnimi napetostmi, saj so posamezni tranzistorji med delovanjem obremenjeni zgolj s polovično napetostjo. Ta stikala pa imajo običajno ugodnejše karakteristike z vidika prevodnih in stikalnih izgub. Osnovni pomanjkljivosti izvedbe sta precej zahtevnejše uravnavanje tako imenovane srednje točke enosmernega vmesnega tokokroga, ki ga je mogoče izvesti s kompleksno modulacijo [28], [29], in dodatna potreba po ločilnih diodah, katerih število narašča s številom dodatnih napetostnih nivojev. Ločilne diode se v nekaterih primerih lahko zamenjajo z aktivnimi stikali (tranzistorji) in nastane A-NPC izvedba (aktivna različica), s čimer se lahko dodatno zmanjšajo (prevodne) izgubne moči pretvornika [30]. NPC pretvorniki imajo sicer običajno precej visoke izkoristke tudi pri višjih stikalnih frekvencah, ena poglavitnih težav zaradi plavajočih potencialov pa je potreba po večjem številu galvansko ločenih prožilnih vezij, kar dodatno oteži integracijo sistema. 2.1.4 Izvedba z ločilnimi kondenzatorji Izvedba z ločilnimi kondenzatorji (FC – angl. Flying- Capacitor) je po strukturi precej podobna NPC izvedbi, le ločilne diode so zamenjane z namenskimi ločilnimi kondenzatorji (glej sliko 6). a) b) Slika 6: Ena fazna veja a) trinivojskega in b) petnivojskega pretvornika z ločilnimi kondenzatorji Izvedba je sicer zanimiva za področje višjih napetosti, poglavitna težava je potreba po večjem številu ločilnih kondenzatorjev, ki dodatno podražijo in povečajo celoten pretvornik. V določenih primerih je to seveda lahko ugodnejše od uporabe ločilnih diod. 2.1.5 Generalizirana P2-izvedba Generalizirana P2-izvedba je kombinacija izvedb z ločilnimi diodami in ločilnimi kondenzatorji. Večje število nivojev izhodne napetosti je mogoče doseči s piramidno vezavo (polmostičnih) tranzistorskih vej na sliki 7 in s pripadajočimi kondenzatorskimi paketi. V primerjavi s prejšnjima izvedbama potrebujemo precej večje število komponent, ki z dodatnimi nivoji narašča nelinearno in lahko precej podraži pretvornik. 240 RIHAR, NEMEC, LAVRIČ, ZAJEC, VONČINA Zahtevnejše je tudi proženje posameznih stikal. Glavne prednosti izvedbe so večje število mogočih vklopnih stanj, posledično pa večja prostost pri uravnavanju napetosti posameznih delov enosmernega vmesnega tokokroga. Mogoče aplikacije segajo tudi na področje DC/DC pretvorbe električne energije. Slika 7: Petnivojska generalizirana P2-izvedba 2.2 Paralelne topologije pogonov Pri paralelnih razširitvah pogonov je v literaturi mogoče srečati rešitve z več paralelnimi močnostnimi stopnjami, medtem ko stroj ostaja trifazen [31]. V večini primerov žal ni dovolj samo razširitev močnostne stopnje. Z današnjo tehnologijo namreč hitro dosežemo tokove v območju 500 A–1000 A, ki so problem tudi s stališča samega stroja, predvsem glede ustreznosti razporeditve izgubnih moči. Poleg tega je paralelna vezava posameznih močnostnih stikal težava s stališča zanesljivega obratovanja. To težavo obidemo s paralelno razširitvijo celotnega pogona. Tako trifazni stroj postane večfazni stroj (več kot tri faze), pri katerem je posamezna faza napajana z eno tranzistorsko vejo [32]. Področje večfaznih strojev je dodobra raziskano z akademskega stališča [33], [34]. Poleg povečanja moči imajo paralelne topologije tudi druge prednosti, pri čemer je področje redundance in z njo povezane varnosti najbolj raziskano [35], [36]. Dodatne prednosti večfaznih strojev so: nižja valovitost navora oziroma bolj tekoče delovanje, sploh pri pulznem napajanju, in tudi manjše izgube [37]. Ker se področje še aktivno razvija, terminologija ni poenotena, v grobem pa se večfazni pogoni delijo na: 2.2.1 Stroji z odprtim navitjem (open end winding) V principu gre za klasičen trifazni stroj, pri katerem so izvedeni tako začetki kot tudi konci navitij (slika 8) [38]. Stroj se napaja z dvema trifaznima mostičema (ali tremi enofaznimi). Prednosti so: nekoliko zmanjšana moč po posamezni pretvorniški veji, možnost obratovanja ob izpadu ene faze, možnost zmanjšanja ali celo odprave sofaznih napetosti [39], [40]. Slika 8: Pogon z odprtim navitjem 2.2.2 Stroji z ločenimi navitji (split wound) Pri strojih z ločenimi navitji je stator sestavljen iz dveh ali več trifaznih navitij [41], [42], [43]. Navitja so med seboj lahko tudi sklopljena, kar povzroči izenačevalne tokove, če stroj in/ali napajanje nista simetrična. Sklopitev je lahko simetrična (360°/n premik med posameznima sistemoma) ali asimetrična (180°/n premik – slika 9), pri čemer ima izbira vpliv na delovanje le pri nizki preklopni frekvenci napajanja ali pulznega obratovanja [34], [44]. Stroje s simetrično sklopitvijo lahko obravnavamo tudi kot več trifaznih strojev [45]. Slika 9: Stroj z ločenimi navitji in s 30° asimetrijo 2.2.3 Stroji z dvojnim statorjem (dual stator) Stroji z dvojnim statorjem so posebna izvedba, kjer sta statorja načrtovana za specifičen namen. Izvedbe teh strojev so eksotične [46], [47], kot na primer: - Generator z enim statorjem ustvarja polje, drugi stator pa napaja breme. Tako pretvornika, ki napaja stroj, ni treba dimenzionirati za nazivno izhodno moč. - Stroj, pri katerem imata statorja različno število polov. S tem se pokrije širše območje delovanja. Slika 10: Stroj z dvema statorjema z različnim številom polovih parov 2.2.4 Večfazni stroji Pod tem imenom se v literaturi prekrivajo stroji z ločenimi navitji in pravi večfazni stroji. Najbolj prepoznavni predstavniki večfaznih strojev so: petfazni asinhronski stroj (slika 11) [48], pet- [49], [50], [51] in šestfazni sinhronski [52] ter šestfazni asinhronski stroj TRENDI V RAZVOJU MOČNOSTNE ELEKTRONIKE ZA VODENJE ELEKTRIČNIH STROJEV 241 [34]. Zadnja dva lahko spadata tudi med stroje z ločenimi navitji. Petfazni asinhronski stroj je zelo zanimiv s stališča zanesljivosti delovanja. Pri njem namreč lahko dosežemo zanesljivo delovanje tudi ob izpadu dveh faz. Slika 11: Petfazni stroj Večina razvoja na tem področju je bila posvečena asinhronskemu stroju, s katerim lahko izkoristimo fleksibilnost, ki jo ponujajo dodatna navitja, in za pogone velikih moči (> 500 kW). V praksi se večfazni stroji uporabljajo v glavnem na področju pogonov velikih moči, na področju manjših moči pa jih v uporabi za zdaj ni zaslediti. Razlogov za to je več: večfazni pogon zahteva bistveno več sodelovanja med inženirji različnih področij (konstrukcija, močnostna elektronika, vodenje), kar podaljša razvojni cikel; s povečanim številom močnostnih komponent se poveča tudi število drugih komponent (prožilna vezja, napajalna vezja), kar podraži pogon, ki je tako na trgu lahko nekonkurenčen. 2.2.5 Večvejne Posebna izvedba večfaznega stroja je večvejni stroj. Stroj se lahko načrtuje kot klasični trifazni stroj, le da so navitja lahko ali »multifilarna«, ali pa gre za navitja iste faze, ki so prostorsko zamaknjena pri strojih z več polovimi pari (slika 12). V tem primeru lahko govorimo tudi o stroju z ločenimi navitji. Poleg tega so mogoče tudi kombinirane izvedbe. Ti stroji se obnašajo enako kot trifazni stroji in tudi konstrukcija stroja je tako rekoč enaka konstrukciji klasičnih trifaznih strojev. Le-to olajša načrtovanje celotnega pogona, kjer je glavni kriterij paralelizacija zaradi doseganja večje moči. Slika 12: Večvejni stroj (multifilarna izvedba in izvedba z več polovimi pari) 3 TEHNOLOGIJE POLPREVODNIŠKIH STIKAL 3.1 Uveljavljeni Si IGBT in MOSFET tranzistorji Začetki danes uveljavljenih močnostnih stikalnih elementov, kot so MOSFET in IGBT tranzistorji, za aplikacije z višjimi stikalnimi frekvencami od nekaj kHz pa do nekaj 10 kHz, segajo v začetna 80. leta prejšnjega stoletja. Njihov prihod je omogočil velik napredek v energijskih izkoristkih statičnih pretvornikov in tudi razvoj najrazličnejših naprav močnostne elektronike za uporabo tako v profesionalne industrijske kot tudi v komercialne potrošniške namene [5]. V zadnjem času je tehnologija "Super Junction" MOSFET-ov (npr. CoolMOS) v smeri zniževanja RDS,on že tako napredovala, da na področju nazivnih napetosti med 600 V in 900 V že v dobršni meri nadomešča IGBT-je. Po drugi strani pa se tudi razvoj slednjih ni ustavil. Dokazali so, da se s spreminjanjem in preoblikovanjem geometrije najnovejše t. i. "mesa" strukture napetost zasičenja (UCE,sat) zniža na 80 % vrednosti navadnega IGBT-ja [53]. Medtem ko na spodnjem napetostnem območju IGBT-je vse bolj izpodrivajo MOSFET-i [54], pa so IGBT-ji uspešno nadomestili GTO tiristorje v pogonski tehniki električne vleke z napetostnim območjem do 6,5 kV [55]. ABB ima tako v ponudbi najzmogljivejše elemente za 6,5 kV/750 A, 4,5 kV/1200 A itn. Še nedolgo nazaj so veljali energijski izkoristki polprevodniških pretvornikov v območju od 96 do 98 % ali celo malo čez za zgornjo mejo dosegljivega in so bila prizadevanja za preseganje teh meja nesorazmerna koristim. Da pa ne bo ostalo pri tem, so na evolucijsko pot po letu 2000 vstopili WBG (angl. Wide Band Gap) elementi [1]. In sicer najprej 2001 SiC dioda, v letu 2006 pa ji je sledil še prvi SiC JFET. Prvi elementi v GaN tehnologiji so bili lansirani v letu 2010 [56], [57]. 3.2 SiC Prve SiC Schottky diode so izdelovali za relativno nizke nazivne napetosti, da so lahko zagotavljali majhne padce v prevodnem stanju in nizke reverzne toke. Njihova bistvena prednost se je kazala v izjemno majhnih Qrr in tRR (reverzni sprostitveni naboj in sprostitveni čas), ki sta povzročala zelo majhne reverzne tokovne konice ob zaporni prepolarizaciji. Posledično so bile preklopne izgube na diodi tako rekoč zanemarljive, odpadel pa je tudi s tem povezan del vklopnih izgub na stikalnih tranzistorjih. Trenutno so dobavljivi posamezni SiC elementi, tako MOSFETI kot diode napetostnega nivoja 1200 V, preizkušajo pa tudi že 1700 V elemente. S tem SiC vstopa na del področja, ki ga zasedajo IGBT-ji [58]. V primerjavi z IGBT-ji SiC-i poleg visoke vzdržne napetosti izkazujejo tudi nizko napetost v prevodnem stanju in dosegajo visoke preklopne hitrosti ter manjše izgubne moči [59]. Imajo tudi trikrat boljšo toplotno prevodnost, kar zagotavlja učinkovitejše odvajanje toplote in zato delujejo tudi do 175 °C z manj omejevanja toka kot pri Si. SiC tehnologija zaradi zmanjšanih stikalnih izgub omogoča 2- do 5-krat višje stikalne frekvence kot Si tehnologija. S tem pa se zmanjšajo tudi pasivni elementi, hladilni sistem je manjši in cenejši [60], [61]. Za krmiljenje SiC MOSFET-ov je priporočena napetost prožilnega vezja za prevajanje 20 V in 0 V za 242 RIHAR, NEMEC, LAVRIČ, ZAJEC, VONČINA blokiranje, za večjo toleranco na motnje in še hitrejše preklopne čase pa celo – 5 V. 3.3 GaN Komercialno dostopni so GaN tranzistorji do napetostnega nivoja 650 V. Za močnostna stikala so izvedeni v vezavi "cascode" z nizkonapetostnimi MOSFET-i, da delujejo kot normalno izklopljeni tranzistorji [62]. Imajo nižjo pragovno napetost reda 1,5 V, ki v kombinaciji z visoko napetostno strmino ob preklopu drugega tranzistorja v tranzistorski veji lahko privede do samoproženja. Eden od načinov preprečevanja pojava je negativna prednapetost vrat - 3 V. Vendar pa ta povečuje napetostni padec in s tem izgube ob reverznem prevajanju. Zato je priporočljivo slediti najboljšim praksam za izvedbo tiskanega vezja, da se znižajo parazitne induktivnosti, in uporabiti prožilno napetost med 0 V in 6 V. 600 V GaN ima s primerljivim Si SJ-MOSFET-om enako RDS,on, 10-krat nižji izhodni naboj in 10-krat nižji naboj vrat. Sprostitveni naboj pa ima 100-krat nižji. To omogoča izjemno hitre preklope z zelo kratkimi zakasnitvami ob spremembi prožilnega signala. Vklopna napetostna strmina, ki jo lahko doseže GaN, je 80 V/ns, izklopna pa celo preseže 100 V/ns. V primerjavi s SiC MOFET-om s podobnim RDS,on GaN 4-krat hitreje vklopi in 2-krat hitreje izklopi [63]. GaN tranzistorji omogočajo delovanje pri stikalnih frekvencah <100 MHz. Ker so preklopne izgube zelo majhne, je višja stikalna frekvenca še toliko bolj smiselna [64]. V strokovni javnosti so odmevno prepoznavnost GaN tehnologije povzročili zmagovalci Googlovega natečaja "Little box challenge", ki so z uporabo GaN tranzistorjev 2026 VA razsmernik (DC 400 V na AC 230) izvedli v 0,23-litrskem ohišju s 95,4-odstotnim izkoristkom [65]. Da pa kljub superiornim karakteristikam WBG elementi (še) ne bodo v širšem področju uporabe izpodrinili obstoječe, uveljavljene Si tehnologije, so krivi cena, dobavljivost in pa tudi dejstvo, da ne omogočajo direktne zamenjave Si elementov, ampak je treba aplikacijo prilagoditi. Zato bomo v prihodnosti spremljali koeksistenco tehnologij [66], [67]. 4 INTEGRACIJA MOČNOSTNE ELEKTRONIKE IN ELEKTRIČNIH STROJEV Zaradi želje po izboljšanju karakteristik električnega pogona namesto ločenih sklopov čedalje pogosteje srečujemo integrirane električne pogone, kjer ima električni stroj že prigrajeno tudi močnostno elektroniko [7], [68], [69], [70]. Načrtovanje integriranih pogonov se omenja kot eden ključnih korakov k doseganju večjega izkoristka [71]. Napredek je opazen tudi pri integraciji obstoječe tehnologije stikal, ki se integrira v tako imenovane pametne module. Ti poleg močnostne stopnje v istem ohišju združujejo tudi prožilna vezja [72]. Pri nizkonapetostnih aplikacijah pa modul lahko vsebuje tako močnostno stopnjo, kot tudi vso potrebno senzoriko in krmiljenje ali celo mikrokrmilnik [73], [74]. Razvijalci težijo h koncentriranju močnostnih komponent in posledično povečevanju gostote moči [68]. Čedalje pogostejše so tako imenovane »sendvič« strukture [75], [76], ki so izbrane zaradi majhne vgradne višine in ugodnejšega oblikovanja tokokrogov z veliko tokovno obremenitvijo (amplituda in strmina) [77], [78]. Dodatno so poleg običajnih materialov tiskanin (na primer FR4) močnostne tiskanine čedalje pogosteje izdelane na izoliranem metaliziranem substratu (IMS – angl. Insulated Metal Substrate), ki omogoča učinkovit prehod toplotnega toka na aluminijasto ali bakreno sredico in naprej na ohišje pretvornika, s čimer se lahko skrajšajo razdalje med močnostnimi stikali [75]. Prostorsko porazdeljene snovno-geometrične lastnosti (kot so upornost, induktivnost in kapacitivnost) povezav na tiskanini so bile v preteklosti irelevantne, kar pa ne velja za novejše zasnove pretvornikov, kjer so lahko izjemno pomembni vplivi [75], [79], [80]: - lastne upornosti vezic, ki postaja primerljiva upornosti prevodnega kanala MOSFET-a …(Rds,on = 2 m) in ESR podpornih kondenzatorjev, s čimer so primerljiv izvor toplotnega toka; nenamerna zožitev vezic prav tako vodi v lokalno pregrevanje; - lastne induktivnosti vezic med močnostnimi stikali, kjer velikostni razred parametra postaja prav tako primerljiv z induktivnostmi stikala, ki so pogojena z velikostjo in obliko ohišja (Ld = 1 nH do 3 nH); zanemaritev slednje lahko posledično vodi v nepravilno oceno preklopnih izgub in prenapetosti na stikalih, saj sta obe pogojeni s strmino komutirajočega toka; - lastne kapacitivnosti, ki jo tvorijo vezice z veliko površino (jakotočni del vezja) na IMS tiskanini s tanko dielektrično plastjo (r = 9) proti hladilnemu telesu, ki je praviloma na istem potencialu kot ohišje pogona; problematične so vezice, katerih potencial se spreminja z visoko strmino, saj ob tem prek kapacitivnosti tečejo lebdeči toki, ki povečujejo elektromagnetno emisijo naprave; taista kapacitivnost se v določenih primerih prišteva k izhodni kapacitivnosti (CDS) MOSFET-a, s čimer se povečajo preklopne izgube; - medsebojne induktivnosti med jakotočnimi in šibkotočnimi (merilnimi, krmilnimi) tokokrogi, ki se lahko manifestira predvsem v napačno zajetih merilnih signalih (meritev toka, in/ali položaja s Hallovimi senzorji). Razdalje med komponentami za ciljne stikalne frekvence aplikacij močnostne elektronike so sicer še vedno manjše od desetkratne dolžine elektromagnetnega (EM) vala, zato lahko vezje po navadi poenostavimo z impedančno matriko koncentriranih nadomestnih komponent. Te je treba izpeljati analitično ali določiti z numeričnimi tehnikami, kot so metode končnih elementov (FEM – angl. Finite element method), torej s pomočjo simulacijskih programov. Oba pristopa sta zamudna ob povečani kompleksnosti postavitve komponent. TRENDI V RAZVOJU MOČNOSTNE ELEKTRONIKE ZA VODENJE ELEKTRIČNIH STROJEV 243 5 POSTOPEK NAČRTOVANJA POGONOV Z naraščajočo računsko močjo lahko s sodobnimi orodji preverimo veliko različnih lastnosti načrtovanega pogona, še preden se lotimo izdelave prototipov. Ker pada tudi cena izdelave prototipa, je cikel načrtovanja čedalje krajši. Posledično si danes lahko privoščimo optimizacijo vsakega načrtovanega pogona za specifično aplikacijo. Poleg tega aktualni trendi narekujejo povečanje učinkovitosti in specifične moči močnostnega pretvornika, kajti le tovrstna prizadevanja lahko privedejo do kompaktnejšega električnega pogona. Posledično se načrtovanje posameznega pretvornika spremeni v unikatno delo tima raziskovalcev različnih profilov znanj, ki morajo poleg električnih in toplotnih vidikov upoštevati še mehanske obremenitve, ki so jim izpostavljene vgrajene komponente [76], [81]. V izjemno pomoč so v tem koraku lahko simulacijski programi in koncept ko- simulacije. 5.1 Simulacija Zaradi koncentrirane postavitve močnostnih stikal in pasivnih komponent (dušilke in kondenzatorji) je postala potreba po uporabi primernih oblikovalskih in simulacijskih orodij bolj nujna kot kdaj koli prej. Na voljo so številni komercialno dostopni paketi za več- domensko simulacijo [82]. Razvijalcu vezij je danes prav tako na voljo več programov za shematično načrtovanje in oblikovanje tiskanin. Med zmogljivejšimi je Altium Designer [83], ki ne omogoča le zgoraj naštetega, temveč je v paket pridruženih že kar nekaj simulacijskih orodij. Med pogosto uporabljanimi so tudi Allegro Cadence [84], Autodesk Eagle [85], PADS [86], OrCAD [87] ter odprtokodni KiCad EDA [88]. Ti na področju elektromagnetne in termične simulacije za zdaj žal še ne morejo tekmovati z orodji, ki so specifično namenjena simulaciji fizikalnih sistemov, kot so Ansys Multiphysics [89], COMSOL Multiphysics [90], FEATool Multiphysics [91] itn. Princip uporabe simulacijskega orodja lahko prikažemo na primeru programa Ansys Multiphysics, ki združuje več programskih paketov. Osnovno funkcionalnost shematično podanega vezja (na primer trifaznega dvonivojskega razsmernika s pripadajočo krmilno logiko) je mogoče preveriti z Ansys Simplorer- jem. Glede na zahtevano globino analize lahko uporabnik izbira med različno kompleksnostjo simulacijskih modelov posameznih komponent, od idealnih do fizičnih Spice modelov, s katerimi operira tudi orodje LTspice [92]. Ta orodja sicer dajo orientacijsko uporabne rezultate, a je za natančnejši vpogled potreben nadaljnji prehod simulacijskih modelov s shematičnega nivoja na kompleksnejši strojno-fizični nivo. S programskim paketom Q3D- Extractor je mogoče ob upoštevanju razporeditve močnostnih komponent in pripadajočih vezic na vezju ustvariti impedančno matriko koncentriranih elementov. To se nato kot komponenta doda v shematični model Simplorerja, s čimer lahko na primer podrobneje ovrednotimo vpliv tiskanine na povišanje prenapetosti tranzistorja in preklopnih izgub [75], [93]. Elektromagnetne razmere v električnem stroju je mogoče simulirati in preveriti v programskem paketu Ansys Maxwell [94], [95], [96]. Programski paket SIWave je namenjen analizi elektromagnetne interference vezja. 5.1.1 Kosimulacija Prepoznavo in analizo termičnih izvorov oziroma t. i. vročih točk v vezju dajejo v okrnjeni obliki že PDN analizatorji (angl. Power Distribution Network Analysis), ki jih vsebuje marsikateri oblikovalski paket. Vendar pa je njihova zmogljivost omejena, kar velja tudi za namensko orodje Ansys Icepak, saj analiza razmer temelji na ocenjenih tokih in njihovih potekih, ki lahko bistveno odstopajo od realnih. Spregledano mesto s čezmerno tokovno gostoto in posledično višjo temperaturo v vezju, kjer je gostota komponent velika, lahko vodi v pospešeno odpoved komponent. Vzrok je tako imenovana elektromigracija [97], ki postaja pereča tudi v močnostnih stikalih z veliko tokovno zmogljivostjo. Še zlasti so občutljiva spojna mesta, kjer se omenjeno manifestira v prazninah (angl. void) oziroma v povečevanju upornosti spojnega mesta, ki dodatno pospeši opisano degradacijo oziroma lahko napreduje v okvaro. Evidentiranje tokovne gostote danes posledično spada med standardne rutine. Natančnejšo napoved gostote toka lahko v opisanem programskem paketu pridobimo neposredno s tako imenovano kosimulacijo. Temelji na dinamični povezavi med orodjema Simplorer in Maxwell. Prvi izračuna realni potek tokov (ob upoštevanju predhodno dodane impedančne matrike IMS tiskanine), medtem ko se na isti tiskanini, ki je bila uporabljena za določitev impedančnih parametrov s Q3D Extractorjem, v Maxwellu ovrednotijo tokovna gostota, izgube v posameznih povezavah, prepoznajo mesta z lokalnim pregrevanjem itd. Izračun se osveži v vsakem simulacijskem koraku, izvedenem v modelu Simplorer. V omenjeni proces kosimulacije orodij Simplorer in Maxwell je seveda mogoče vključiti tudi dvo- ali tridimenzionalni model stroja in tako ovrednotiti elektromagnetne razmere tudi v električnem stroju [98], [99], [100], [101]. Mogoča je tudi kosimulacija programskih paketov Ansys Simplorer in MATLAB/Simulink [102]. V tem primeru lahko na primer krmilno logiko, pripravljeno v programu Simulink, povežemo s shemo vezja močnostnega pretvornika (ali električnega pogona) iz simulacije v Ansysu [103]. Prednost takega pristopa je v dodatni stopnji svobode pri izbiri simulacijskega programa. Kot alternativa podanemu principu se ponuja kosimulacija programskih orodij Altair HyperWorks (CEDRAT Flux) [104] in Portunus, o čemer poročajo Di Leonardo in soavtorji v [105]. 244 RIHAR, NEMEC, LAVRIČ, ZAJEC, VONČINA Ob zapisanem velja poudariti, da Q3D–Extractor rešuje le kvazistatična 3-D polja. V nasprotju s tem orodje HFSS (High Frequency Electromagnetic Field Simulator) razrešuje 3-D polja brez omejevanja veljavnosti Maxwellovih enačb. Omejitev točnosti je v obeh primerih seveda odvisna od velikosti mrežnih oken. Zaradi naraščajoče računske zahtevnosti izjemno natančnih FEM modelov bodo ti za dodatne analize dinamičnih stanj čedalje pogosteje kombinirani z dodatnimi linearnimi in nelinearnimi modeli [106], ki omogočajo precej hitrejše in največkrat še vedno dovolj natančne analize. 6 SKLEP Napredek na področju močnostne elektronike v pogonskih sistemih bo tudi v prihodnje postopen. Tako lahko pričakujemo, da se bodo zahtevnejše in nove tehnologije čedalje pogosteje uporabljale predvsem v aplikacijah, kjer se bodo premikale meje dosegljivega. Za večino aplikacij pa bo predvidoma še vedno najprimernejša izbira klasičen mostič B6 skupaj s trifaznim strojem. Prav tako je pričakovati postopne spremembe pri načrtovanju pogonov. Čedalje bolj se bodo pri načrtovanju zahtevala poglobljena znanja na vseh področjih (elektromagnetika, termika, mehanika), ki pa jih bo treba združevati in predvsem usklajevati. Razvoj močnostne elektronike za vodenje električnih strojev se bo nadaljeval predvsem v smeri integracije sklopov močnostne elektronike in električnih strojev, optimizacije razporeditve močnostnih komponent z namenom zmanjševanja parazitnih efektov, uporabe novejših tehnologij in materialov za povečanje izkoristka ter v smeri prilagajanja obstoječih in zasnove novih topologij pretvornikov in strojev za zagotavljanje ustreznosti za uporabo v novih, še zahtevnejših aplikacijah.