Neutral point clamped converter phase-leg layout optimization
Tulla, Henri (2024)
Diplomityö
2024
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202401041374
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202401041374
Tiivistelmä
The target of this thesis is to idealize a three-level Neutral Point Clamped (NPC) converter phase-leg layout for an Active Front End (AFE). This includes selecting a suitable power module type for the phase-leg and then optimizing the power module layout and laminated busbar structure for low commutation loop inductances. The performance of the converter layouts is assessed with loop inductance and Double Pulse Test (DPT) simulations.
In order to optimize the phase-leg layout a brief literature review of converter layout optimization methods and NPC topology is done. As a multilevel topology NPC has several commutation loops which complicates the layout optimization process. The topology’s commutation behaviour is analysed and then the general laminated busbar design rules are applied for the phase-leg. A set of suitable power modules is selected for the converter to be used in simulations and in a future prototype.
In total five different phase-leg layouts are designed and their commutation loop inductances and DPT behaviours are simulated. Based on the simulation results there are some differences in the commutation loop inductances between the layouts but all the proposed layouts are feasible for further development and to be considered for the final three-phase converter layout. They are currently however in just a proof of concept state and will need a lot of optimization before they can be used as a part of the final product. Tämän diplomityön tavoitteena on optimoida kolmitasoisen NPC-konvertterin vaihehaaranrakenne verkkotasasuuntaajasovellukseen. Tähän sisältyy vaihehaaralle sopivan tehomoduulityypin valinta ja tehomoduulien sijoittelun ja moduuleita yhdistävän laminoidun kiskostorakenteen optimointi kommutointi-induktanssien näkökulmasta. Suunniteltujen rakenteiden toimintaa analysoidaan kommutointi-induktanssi- ja tuplapulssitestisimulaatioilla.
Kirjallisuuskatsauksessa selvitetään laminoidun kiskostorakenteen optimoinnin periaatteet ja perehdytään NPC-topologian vaihehaaran rakenteeseen ja sen kommutointiin. NPC on monitasoinen topologia ja sillä on useita kommutointireittejä, mikä tekee vaihehaaran optimoinnista hankalaa. Vaihehaaraan valitaan tehomoduulit joiden parametreja voidaan käyttää simuloinneissa ja joita voidaan myöhemmin käyttää prototyyppilaitteessa.
Viiden erilaisen tehomoduuliasettelun ja kiskostorakenteen kommutointi-induktanssit selvitetään induktanssisimulaatioilla ja kytkentähetken ilmiöitä tarkastellaan tuplapulssitestisimulaatioilla. Simulaatiotulosten perusteella esitetyissä vaihehaararakenteissa on pieniä eroja kommutointi-induktansseissa, mutta niitä kaikkia voidaan harkita kolmivaiheisen konvertterin vaihehaararakenteeksi. Kaikki esitetyt kiskostorakenteet ovat kuitenkin vasta prototyyppiasteella ja niiden tuotteistettavuus ja kokoonpantavuus täytyy optimoida erikseen ennen kuin niitä voi käyttää valmiissa konvertterissa.
In order to optimize the phase-leg layout a brief literature review of converter layout optimization methods and NPC topology is done. As a multilevel topology NPC has several commutation loops which complicates the layout optimization process. The topology’s commutation behaviour is analysed and then the general laminated busbar design rules are applied for the phase-leg. A set of suitable power modules is selected for the converter to be used in simulations and in a future prototype.
In total five different phase-leg layouts are designed and their commutation loop inductances and DPT behaviours are simulated. Based on the simulation results there are some differences in the commutation loop inductances between the layouts but all the proposed layouts are feasible for further development and to be considered for the final three-phase converter layout. They are currently however in just a proof of concept state and will need a lot of optimization before they can be used as a part of the final product.
Kirjallisuuskatsauksessa selvitetään laminoidun kiskostorakenteen optimoinnin periaatteet ja perehdytään NPC-topologian vaihehaaran rakenteeseen ja sen kommutointiin. NPC on monitasoinen topologia ja sillä on useita kommutointireittejä, mikä tekee vaihehaaran optimoinnista hankalaa. Vaihehaaraan valitaan tehomoduulit joiden parametreja voidaan käyttää simuloinneissa ja joita voidaan myöhemmin käyttää prototyyppilaitteessa.
Viiden erilaisen tehomoduuliasettelun ja kiskostorakenteen kommutointi-induktanssit selvitetään induktanssisimulaatioilla ja kytkentähetken ilmiöitä tarkastellaan tuplapulssitestisimulaatioilla. Simulaatiotulosten perusteella esitetyissä vaihehaararakenteissa on pieniä eroja kommutointi-induktansseissa, mutta niitä kaikkia voidaan harkita kolmivaiheisen konvertterin vaihehaararakenteeksi. Kaikki esitetyt kiskostorakenteet ovat kuitenkin vasta prototyyppiasteella ja niiden tuotteistettavuus ja kokoonpantavuus täytyy optimoida erikseen ennen kuin niitä voi käyttää valmiissa konvertterissa.