Review of zero-voltage switching three-phase inverters and DC link voltage balancing in auxiliary resonant commutated pole inverter

Abstract

Society aims for emission reduction on pathway of limiting global warming. Solutions are searched from electrification and innovations are needed to bring new technologies to heavy industry and long-distance transport. Development of semiconductor switches over decades has lead them to be suitable for lower losses, higher switching speed and higher temperature. Progress in development of wide-bandgap semiconductors has boosted interest in soft switching inverters and debate between them and conventional hard switching inverters.

First goal of this thesis was to find the most viable soft switching inverter topology based on research papers. Focus was solely in zero-voltage switching six-switch two-level three-phase topologies for high power application. Suitable categories for high power application were outlined and topologies were compared based on power of prototypes, efficiency, circuit complexity, control complexity and research history. Clear advantageous solution was not found, but auxiliary resonant commutated pole inverter and output LC filter based inverter were found to have combination of favorable properties.

As continuum for the research review, second goal was to implement a DC link voltage balancing solution in auxiliary resonant commutated pole inverter. Simulation study in behavior of DC link voltage and auxiliary current in the inverter is presented, followed by implementation and test simulations of a conceptual PI-controller balancing method. Relation between auxiliary current and DC link voltage was addressed, key challenge caused by DC link voltage imbalance was explained and operation of the balancing method was verified.

Yhteiskunta tavoittelee päästövähennyksiä rajoittaessaan ilmastonmuutosta. Ratkaisuja etsitään sähköistymisestä ja innovaatioita tarvitaan tuomaan teknologioita raskaalle teollisuudelle ja liikenteelle. Puolijohdekytkimet ovat kehittyneet viime vuosikymmeninä soveliaiksi pienemmille häviöille sekä korkeammille kytkentänopeuksille ja lämpötiloille. Edistys leveän välivyön puolijohteiden kehityksessä on nostattanut kiinnostusta pehmeäkytkentäisiin inverttereihin ja väittelyyn niiden ja tavanomaisten kovakytkentäisten inverttereiden välillä.

Työn ensimmäinen tavoite oli löytää toteuttamiskelpoisin pehmeäkytkentäinen topologia tutkimuksiin perustuen. Fokus oli yksistään suurtehosovelluksiin soveltuvissa nollajännitekytkevissä kuusikytkinkaksitasokolmivaihetopologioissa. Topologioista poimittiin suurtehosovelluksiin sopivat kategoriat ja niitä vertailtiin prototyyppien tehon, hyötysuhteen, piirin ja ohjauksen monimutkaisuuden ja tutkimushistorian perusteella. Selvää suotuisaa ratkaisua ei löydetty, mutta apuresonanssikommutoidulla napainvertterillä ja LC-lähtösuotimeen perustuvalla invertterillä huomattiin olevan yhdistelmä suotuisia piirteitä.

Jatko-osana tutkimuskatsaukselle toinen tavoite oli toteuttaa tasajännitevälipiirin jännitteen tasapainotusratkaisu apuresonanssikommutoituun napainvertteriin. Ensin esitellään simulaatiotutkimus tasajännitevälipiirin jännitteen ja apuresonanssivirran käytöksestä, ja sitten käsitteellisen PI-säätimellisen tasapainotusmenetelmän toteutus ja testisimulaatiot. Apuvirran ja tasajännitevälipiirin jännitteen yhteys osoitettiin, olennaisin tasajännitevälipiirin jännite-epätasapainon aiheuttama haaste selitettiin ja tasapainotusmenetelmän toiminta todennettiin.