Analysis of semiconductor expenses in medium voltage drives
Ilonen, Lari (2020)
Diplomityö
2020
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020062345427
http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020062345427
Tiivistelmä
In this Master’s thesis, semiconductor expenses in multilevel medium voltage drives was analysed by comparing cost and reliability of five selected topology cases. This was done by first studying the IGBT modules and topologies in the medium voltage drives (MVD) market and examining the market situation and price development of High-Voltage IGBT modules. Reliability calculations for power modules were also demonstrated. Finally, the performance of the selected topology cases was simulated with simulation tools provided by IGBT manufacturers.
The results showed that while multilevel medium voltage drives can produce higher power, the cost can be multiple times higher compared to low voltage drive. Efficiency was improved with multilevel design but the increase in the number of components reduced the reliability notably. Multilevel low voltage structure proved to be a cost-effective solution. The power was increased and the costs were reduced significantly compared to medium voltage. This was achieved with marginal decrease in reliability. Tässä diplomityössä tutkittiin puolijohdekustannuksia monitasokeskijännitekäytöissä vertaamalla viittä valittua pääpiiritopologiaa. Tämä tehtiin tutkimalla IGBT-moduuleja ja topologioita keskijännitekäyttöjen markkinoilla sekä tarkastelemalla markkinoiden tilannetta ja keskijännite IGBT-moduulien hintakehitystä. Tehomoduuleille suoritettiin myös toimintavarmuuslaskelmat. Lopuksi valittujen topologia tapausten suorituskykyä simuloitiin IGBT-valmistajien omilla simulaatiotyökaluilla.
Tulokset osoittivat, että vaikka monitasoiset keskijännitekäytöt voivat tuottaa suurempaa tehoa, kustannukset voivat olla useita kertoja suuremmat kuin pienjännitekäytöissä. Hyötysuhde parani monitasoisella rakenteella, mutta komponenttien lisääntynyt määrä laski toimintavarmuutta. Monitasoinen pienjännitekäyttö osoittautui kustannustehokkaaksi vaihtoehdoksi. Teho kasvoi suuresti ja kustannukset olivat merkittävästi pienemmät kuin keskijännitteellä. Tämä saavutettiin marginaalisella toimintavarmuuden alenemisella.
The results showed that while multilevel medium voltage drives can produce higher power, the cost can be multiple times higher compared to low voltage drive. Efficiency was improved with multilevel design but the increase in the number of components reduced the reliability notably. Multilevel low voltage structure proved to be a cost-effective solution. The power was increased and the costs were reduced significantly compared to medium voltage. This was achieved with marginal decrease in reliability.
Tulokset osoittivat, että vaikka monitasoiset keskijännitekäytöt voivat tuottaa suurempaa tehoa, kustannukset voivat olla useita kertoja suuremmat kuin pienjännitekäytöissä. Hyötysuhde parani monitasoisella rakenteella, mutta komponenttien lisääntynyt määrä laski toimintavarmuutta. Monitasoinen pienjännitekäyttö osoittautui kustannustehokkaaksi vaihtoehdoksi. Teho kasvoi suuresti ja kustannukset olivat merkittävästi pienemmät kuin keskijännitteellä. Tämä saavutettiin marginaalisella toimintavarmuuden alenemisella.