Comparison of high-power DC-DC converter topologies for a non-road mobile machinery application

Abstract

Interest for electrical mining machines is increasing all the time as environmental awareness is rising, emission legislation is becoming even tighter, and the development of power electronic technology has taken steps which enable it to be utilized efficiently in electrical drivelines of mobile machinery. However, technology still presents certain limitations especially for energy storages which reduce the usability of these machines that are run close to around the clock and could require high power even up to 1 MW for almost half of their drive cycle. As one solution to the problem, a pantograph solution is suggested with which the machine can connect to an external power source in a form of overhead catenary system during especially energy demanding parts of the drive cycle.

In this thesis a DC-DC converter part of such current supply arrangement is covered. Common components of DC-DC converters, a few typical step-down converter topologies are presented. Requirements for a DC-DC converter designed for mining machine and trolley application are defined and a market study is conducted to determine if such converters are available. Finally, the converters found are presented and compared against the set requirements and each other to determine which one is the most suitable for the intended use.

As a result, five different converter solutions presenting both IGBT and wide bandgap technology from different manufacturers are found and presented and three most promising ones of these are selected into the comparison. Comparison shows that each solution fulfils the basic requirements set but individual differences make one of the presented solutions more appealing than others.

Kiinnostus sähköisiä kaivoskoneita kohtaan on jatkuvasti kasvussa ympäristötietoisuuden kasvaessa, päästörajoitusten yhä tiukentuessa ja tehoelektroniikan otettua askeleita, jotka mahdollistavat sen käyttämisen liikkuvien työkoneiden sähköisissä voimalinjoissa. Markkinoilla oleva tekniikka kuitenkin asettaa yhä tiettyjä rajoituksia etenkin energian varastointiin liittyen, mikä pienentää näiden suurta tehoa pitkiä aikoja vaativien koneiden käytettävyyttä oleellisesti. Yhtenä ratkaisuna tähän ongelmaan on ehdotettu virroitinratkaisua (pantografi), jonka avulla kone voi kytkeytyä kaivoksen kattoon kiinnitettyjen ajolankojen muodossa olevaan ulkoiseen teholähteeseen suurta energiaa vaativien ajosyklin vaiheiden aikana.

Tässä diplomityössä käsitellään ylläkuvatun kaltaiseen virransyöttöjärjestelmään kuuluvaa DC-DC-konvertteria. DC-DC-konvertterien yleiset komponentit sekä muutama yleinen step-down -konvertteritopologia esitellään. Työssä asetetaan myös vaatimukset kaivoskoneeseen tarkoitetulle DC-DC-konvertterille, jonka jälkeen suoritetaan markkinakatsaus, jossa selvitetään, onko kyseiseen käyttöön soveltuvia konverttereita saatavana. Lopuksi löydettyjä konvertterit esitellään ja niiden ominaisuuksia verrataan asetettuihin vaatimuksiin sekä toisiinsa sopivimman konvertteriratkaisun löytämiseksi.

Markkinakatsauksen lopputuloksena löydetään ja esitellään viisi eri konvertteriratkaisua eri valmistajilta, joista kolme parhaiten sopivaa valitaan vertailuun. Vertailu osoittaa, että kaikki kolme konvertteriratkaisua täyttävät asetetut perusvaatimukset, mutta ratkaisuiden yksilölliset erot saavat yhden ratkaisun vaikuttamaan muita houkuttelevammalta.