Schakelende voedingen in complexe systemen

Figuur 1: Half-brug

Een typische en veel gebruikte bouwsteen in voedingen is te zien in Figuur 1. In het geval van een DC/AC converter wordt er aan de linkerzijde een DC voeding aangebracht en komt er door het slim aan en uitzetten van de half-geleiders een blokgolf aan rechterzijde. Mits deze uitgang via een filter loopt, kan er een mooi sinusvormig signaal worden gegenereerd. Met andere woorden: het is een inverter, zoals vaak bij zonnepanelen wordt geleverd, die de energie bruikbaar maakt voor het huishouden.

In Figuur 2 is te zien hoe de uitgang (voor een filter) er idealiter uit moet zien. Het digitaal gefilterde signaal is ter illustratie weergegeven, om aan te duiden dat het daadwerkelijk een sinusvormig signaal zal opleveren. Alleen deze 50 Hz, zoals hier afgebeeld, is van belang, alle andere frequenties kunnen als storingen worden gezien. De storing afkomstig van het heel vaak schakelen, is daarentegen wel zeer controleerbaar, aangezien deze bepaald wordt door de ontwerper van de omvormer. Er bestaan veel technieken om dit type storing te onderdrukken. Die lopen uiteen van het veranderen van de schakelfrequentie, tot het actief uitdoven van de schakelfrequentie en zijn harmonischen en zelfs gebruik van meerdere half-bruggen bovenop elkaar gestapeld om direct meer sinusvormige signalen te genereren. Dit laatste wordt overigens veelal gebruikt in digitaal-naar-analoog conversiesystemen.

Figuur 2: ideaal schakelende voedingsuitgang (blauw) en digitaal gefilterde versie (Oranje).

Figuur 3: Niet-idealiteit tijdens het schakelen

Helaas is de wereld niet ideaal en dit ziet men terug in het gegenereerde signaal. Naast de bekende/gecontroleerde schakelstoringen, zijn er ook minder voorspelbare interferenties. Het is fenomeen dat hier is toegevoegd (in simulatie) is de oscillatie die aangeslagen wordt tijdens/door elke transitie van voeding. Figuur 3 laat dit zien als een hoogfrequente oscillatie bovenop de blokgolf, veel groter dan de schakelfrequentie. Deze frequentie is het gevolg van een resonantie van een inductie en capaciteit die over het algemeen parasitair zijn, en daarmee dus vaak onvoorspelbaar. Dit zegt dus eigenlijk dat als men 6 keer dezelfde omvormer maakt, deze frequentie altijd verschillend zou kunnen zijn. Dit zou in een huishouden wellicht geen probleem moeten opleveren, aangezien hier vaak maar een enkele omvormer aanwezig is, maar in grote zonnepaneelparken wordt een groot aantal van deze omvormers in parallel dan wel in serie gebruikt. Wat is uiteindelijk het gevolg voor de totale storing geproduceerd in zo’n situatie? Versterken de interferenties elkaar? Of doven ze uit?

Figuur 4: Simulatie (links) en meting (rechts) van twee in serie aangesloten half-bruggen.

Storingen, en hun propagatie, in complexe systemen vormen dan ook kernbegrippen in de EU Horizon 2020-projecten Scent en Etopia. Het is aan de jonge onderzoekers om aan te tonen of er mogelijkheden zijn om ze onder controle te krijgen, of zelfs volledig te vermijden. Dit wordt onder andere gedaan via statistische analyses, numerieke simulaties en het in het veld meten (bijvoorbeeld in zonnepaneelparken). Robert Smolenski uit Zielona Gora (Uz) heeft ze met zijn presentatie tijdens de Scent Summerschool in elk geval genoeg gegeven om over na te denken, want een van zijn gepubliceerde resultaten (Figuur 5) laat zien, dat er een zeer variabel niveau van interferentie kan zijn wanneer meerdere omvormers tegelijkertijd in een systeem aanwezig zijn.

Figuur 5: Meer dan 1000 metingen per combinatie van omvormer die laten zien dat de interferentie zowel destructief als constructief kan zijn.