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Structures Multiniveaux – chapitre 3Structures Multiniveaux – chapitre 3
Prof. Dan FLORICAUUniversité POLITEHNICA de Bucarest
Prof. Dan FLORICAUUniversité POLITEHNICA de Bucarest
11
Besoins applicatifsBesoins applicatifs
Secteur en Forte croissanceTensions de 2 à 10kPuissance de 300kW à 10MW
Cours SOCS - D. Floricau 2008Cours SOCS - D. Floricau 2008 22
Marine
Propulsion marine
Conversion d’Énergie en Forte Puissance:Exemple: Les applications Variation Vitesse Moyenne Tension
MétallurgieLaminoir
Cellule de conversion de base – 2NCellule de conversion de base – 2N
33
Properties:V ripple = EF ripple = FdV max IGBT = E
Properties:V ripple = EF ripple = FdV max IGBT = E
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
E
iload +
( ) 5.0pourmax,1FdL
EI =αα−⋅α⋅⋅
=Δ
FdL4EImax ⋅⋅
=Δ
Semi-conducteur de puissance:-gamme limitée (<6.5 kV)-performances réduites
Semi-conducteur de puissance:-gamme limitée (<6.5 kV)-performances réduites
33
Besoins applicatifs:-augmentation de la puissance-augmentation de la tension-augmentation des performances
Besoins applicatifs:-augmentation de la puissance-augmentation de la tension-augmentation des performances
Besoins applicatifsBesoins applicatifs
Wind energy
Pompage, …
44Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Semi-conducteurs de PuissanceSemi-conducteurs de Puissance
55Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Augmentation épaisseur
Augmentation surface
Épaisseur
Semi-conducteurs de PuissanceSemi-conducteurs de Puissance
Augmentation tenue en tension (+)Diminution des performances (-)
Surface
Augmentation courant (+)Performances équivalentes (=)
Calibre des interrupteurs de puissance
Surface silicium
composants semi-conducteur
4466Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Fractionnement ou associationsFractionnement ou associations
55
Pour adresser ces niveaux de tension / Puissance, deux solution sont possibles:
Fractionner les contraintes en tensionUtiliser des associations de cellules ou convertisseurs
Intérêts
Augmentation puissanceAugmentation des performancesMeilleure modularitéPlus de degré de liberté
Inconvénients
Répartition des contraintes Autoriser l’utilisation des degrés de liberté
Fractionnement ou associationsFractionnement ou associations
77Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Intérêts
Augmentation de la tensionCalibre interrupteurs plus petitMacro composants plus performantsAugmentation Fd
Inconvénients
Répartition des contraintes dynamiquesPas d’amélioration des formes d’ondes
Association série directe de composantsAssociation série directe de composants
Fractionner les contraintes en tensionUtiliser des associations de cellules ou convertisseurs
88
Association série:
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Cellule de conversion de base
Association série directe de composantsAssociation série directe de composants
99
Properties:V ripple = EF ripple = FdV max IGBT = E/2 ?
Properties:V ripple = EF ripple = FdV max IGBT = E/2 ?
Équilibrage
Répartition des contraintes dynamique
E/2
E/2
uAO
iload
E/2
E/2
Macro-composant
E
E/2 ? E/2 ?
E
A O
10*iload
E/2
E/2
uAOE/2
E/2
E/2
E/2
uAOE/2
E/2
uAOE/2
E/2
10*iload
uAOE/2
E/2
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Association série directe de composantsAssociation série directe de composants
Fs=50Hz Fd=1kHz
Spectre de la tension de sortie 2 niveaux
1010Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Intérêts
Augmentation du courant traité
Inconvénients
Pad d’amélioration des performancesPas d’amélioration des formes d’ondes
Association parallèle de composantsAssociation parallèle de composants
Augmentation du courant
Association parallèle:
1111Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Properties:V ripple = EF ripple = FdV max IGBT = E
Properties:V ripple = EF ripple = FdV max IGBT = E
Association parallèle de composantsAssociation parallèle de composants
1212
Équilibrage
Répartition des contraintes dynamique
Cellule de conversion de base
iload
E/2
E/2
Macro-composant
12121212
Association parallèle de composantsAssociation parallèle de composants
1212
Association parallèle de composantsAssociation parallèle de composants
1212
Association parallèle de composantsAssociation parallèle de composants
1212
Cellule de conversion de base
Association parallèle de composantsAssociation parallèle de composants
1212Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Cellules de conversion superposées
1313
Structure 3L- SC4 (Stacked Cells, Bhagwat-1980)Structure 3L- SC4 (Stacked Cells, Bhagwat-1980)
E
iload
A O
S1
S1c S2
S2c
+ -
+ -
S1, S2c
ik
uk
E
S1c+ S2
E/2
ik
uk
Properties:V ripple = E/2F ripple = Fd
Properties:V ripple = E/2F ripple = Fd
V max IGBTV max IGBT
Contraintes en tension sur les interrupteurs
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Cellules de conversion superposées
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
1313
E
iload
A O
S1
S1c S2
S2c
+ -
+ -
E
iload
A O
S1
S1c S2
S2c
+ -
+ -
E
iload
A O
S1
S1c S2
S2c
+ -
+ -
10*iload
uAOE/2
E/2
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
E
iload
A O
S1
S1c S2
S2c
+ -
+ -
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
1313
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
1313
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
1313
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
Cellules de conversion superposées
1313
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
Cellules de conversion superposées
1414
S1c+S2 interrupteur 4 quadrants ?S1c+S2 interrupteur 4 quadrants ?
iload>0, iload<0
iload>0, iload<0
Sr>0 Sr<0
Niveaux de tension: 0, E/2
Niveaux de tension: -E/2, 0
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
1 Duty cycle
vAO [u.r.]
α1 α2
-1 1 0
Sd1
Sd2
Sr
1515
Commande MLICommande MLI
α1Durée de conduction T1
α2Durée de conduction T2
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
1616
Analyse FFT de la tension de sortie pour 3L-SCAnalyse FFT de la tension de sortie pour 3L-SC
Spectre de la tension de sortie 2N:
Spectre de la tension de sortie 3N-SC:
Fs=50Hz
Fd=1kHz
Fs=50Hz
Fd=1kHz
FdL8E
FdL42/EImax ⋅⋅
=⋅⋅
=Δ
10*iload
uAOE/2
E/2
iload
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
La structure pourra donc être la suivante:
1717
Finalement … 3L-SC6Finalement … 3L-SC6
α2
1 Duty cycle
vAO [u.r.]
α1 α3
-1 1 0
Stratégie de commande:
tous les interrupteurs de la structure sont dimensionnés pour E/2
3 cellules de commutation
α1Durée de conduction T1
α2Durée de conduction T2
α3Durée de conduction T3
Cellule 1: S1-S1c
Cellule 2: S2-S2c
Cellule 3: S3-S3c
+ -
+ -
E
A O
S2
S2c
S1
S1c S3
S3c
iload
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
+ -
+ -
E
A O
S2
S2c
S1
S1c S3
S3c
iload 10*iload
uAO
iload>0, iload<0 iload>0, iload<0
Niveaux de tension: 0, E/2
Niveaux de tension: -E/2, 0
+ -
+ -
E
A O
S2
S2c
S1
S1c S3
S3c
iload
+ -
+ -
E
A O
S2
S2c
S1
S1c S3
S3c
iload
Implantation de la commandeImplantation de la commande
1818
Sr>0 Sr<0
Implantation de la commandeImplantation de la commandeImplantation de la commandeImplantation de la commandeImplantation de la commandeImplantation de la commande
18181818
Implantation de la commandeImplantation de la commande
1818
Implantation de la commandeImplantation de la commande
1818
Implantation de la commandeImplantation de la commande
1818Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Séquences de commutationSéquences de commutation
1919
+ -
+ -
E
A O
S2
S2c
S1
S1c S3
S3c
iload
S1
S1c
S2
S2c
S3
S3c
VAO
0
Sr
0 Tsw/2 Tsw
VDC/2 0
(a)
Sd1
O+
VDC/2
P
O+
Switch Sequence Output Voltage
(vA0)
Switching State S1 S1c S2 S2c S3 S3c
-E/2 N 0 1 0 1 0 1
O- 0 1 0 1 1 0 0 O+ 0 1 1 0 1 0
E/2 P 1 0 1 0 1 0
S1
S1c
S2
S2c
S3
0
Sr
0 Tsw/2 Tsw
VDC/2 0
(b)
S3c
O- O-
-VDC/2
VAO
N
Sd2
Voltage levels: -E/2; 0Voltage levels: 0; E/2
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Calculus of total losses in power devicesCalculus of total losses in power devices
where: vCE0, rdT, vD0and rdD – parameters of the transistors and diodes
condDcondTcondX P PP +=
( )20condTrmsdT
condTavgCEcondT IrIvP ⋅+⋅=
The total losses (PX):
The conduction losses (PcondX):
The switching losses (PswX): ( ) ⎟⎠⎞⋅⎜
⎝⎛ +⋅+Δ⋅⋅⋅=
2swXrmsswX
swXavgswXswswX
def
swswswX ICIBA
vvfP
where, AswX, BswX, CswX and vdef – constants taken from the IGBT’s characteristics, Δsw – ratio between the switching interval and the switching period for semiconductor device
swXcondXX P PP +=
( )20condDrmsdD
condDavgDcondD IrIvP ⋅+⋅=
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
2020Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Total losses in power devicesTotal losses in power devices
Simulated distribution of losses in 3L-SC converter featuring Eupec IGBTs (VDC= 3000V, Irms=200A, fs=1000Hz, Eupec
FF200R33KF2C): (a) PF=-1, M=0.05, (b) PF=1, M=0.95
2121
( ) [ ]π∈⋅= 0, x,xsinMxfT1
( ) ( ) ( )[ ]θ+θ⋅θ−π⋅π⋅⋅⋅
=⋅⋅θ−⋅⋅π
= ∫π
θ
sincos4
M2IdxxfxsinI221I 1T
1conTavg
( )( ) ( ) ( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ θ⋅⋅+θ⋅+⋅
π⋅=⋅⋅θ−⋅⋅
π= ∫
π
θ
2cos31cos
341
2MIdxxfxsinI2
21I 1T
21conTrms
( ) ( )( )θ+π
=θ−π
= ∫π
θ
cos12
2IdxxsinI221I 1swT
avg
( )( ) ( )⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ θ
+θ−π⋅π
=⋅θ−π
= ∫π
θ22sin
21IdxxsinI2
21I
21swTrms
The following hypotheses were considered to calculate the losses in power devices:
the load is linear;the load current is sinusoidal;the current and voltage ripples are neglected;the dead times of the IGBT modules are neglected.
T1
+ -
+ -
E
A O
S2
S2c
S1
S1c S3
S3c
iload
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
2222
Structure 3L-NPC (Neutral Point Clamped)Structure 3L-NPC (Neutral Point Clamped)
Principe de la structure:Association série directeAjout 2 diodes clamp pour fixer la tension aux bornes des interrupteurs S1 et S2c lors de la
conduction de S2 et S1cFractionner la tension d’entrée
α1Durée de conduction T1
α2Durée de conduction T2
Cellule 1: S1-S1c
Cellule 2: S2-S2c
(Nabae, 1981)(Nabae, 1981)
+ -
+ -
E
O
S1
S1c
S2
S2c
Du
Dd
α2
1Duty cycle
vAO [u.r.] 1
α1
0 -1
iload
R
L
A
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
2323
3L-NPC: configuration possible3L-NPC: configuration possible
+ -
+ -
iload
A O
S1
S1c
S2
S2c
Du
Dd
E
+ -
+ -
iload
A O
S1
S1c
S2
S2c
Du
Dd
E
Properties:V ripple = E/2F ripple = FdV max IGBT = E/2
Properties:V ripple = E/2F ripple = FdV max IGBT = E/2
S1 et S2 = ONS1c et S2c = OFF
S1 et S2 = OFFS1c et S2c = ON
S1 et S2c = OFFS1c et S2 = ON
VAO = E/2
VAO = -E/2 VAO = 0
+ -
+ -
iload
A O
S1
S1c
S2
S2c
Du
Dd
E
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
+ -
+ -
iload
A O
S1
S1c
S2
S2c
Du
Dd
E
+ -
+ -
iload
A O
S1
S1c
S2
S2c
Du
Dd
E
2424
Le zéro volt par les diodes: 2 cas possibleLe zéro volt par les diodes: 2 cas possible
iload>0 iload<0
+ -
+ -
iload
A O
S1
S1c
S2
S2c
Du
Dd
E
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
1313
10*iload
uAOE/2
E/2
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
1313
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
1313
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
1313
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
1313
Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)
Cellule 3L-NPC
2525
Cellule 3L-NPC = 2 cellules de base + 2 diodes clampCellule 3L-NPC = 2 cellules de base + 2 diodes clamp
iload>0, iload<0 iload>0, iload<0
Niveaux de tension: 0, E/2 Niveaux de
tension: -E/2, 0
Sr>0 Sr<0
+ -
+ -
iload A O
S1
S1c
S2
S2c
Du
Dd
E
+ -
+ -
iload
A O
S1
S1c
S2
S2c
Du
Dd
E
+ -
+ -
iload
A O
S1
S1c
S2
S2c
Du
Dd
E
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
1 Duty cycle
vAO [u.r.]
α1 α2
-1 1 0
Sd1
Sd2
Sr
2626
Commande MLICommande MLI
α1Durée de conduction
T1
α2Durée de conduction
T2
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
2727
Analyse FFT de la tension de sortie pour 3L-NPCAnalyse FFT de la tension de sortie pour 3L-NPC
Spectre de la tension de sortie 2N:
Spectre de la tension de sortie 3N-NPC:
Fs=50Hz
Fd=1kHz
Fs=50Hz
Fd=1kHz
FdL8E
FdL42/EImax ⋅⋅
=⋅⋅
=Δ
10*iload
uAOE/2
E/2
iload
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Séquences de commutationSéquences de commutation
2828
S1
S1c
S2
S2c
VAO
0
Sr
0 Ts
VDC/2 0
(a)
Sd1
O
VDC/2
P
O
S1
S1c
S2
S2c
0
Sr
0 Ts/2 Ts
VDC/2 0
(b)
O O
-VDC/2
VAO
N
Sd2
Switch Sequence Output
Voltage (vAO)
Switching State S1 S1c S2 S2c
-VDC/2 N 0 1 0 1
0 O 0 1 1 0
VDC/2 P 1 0 1 0 Voltage levels: -E/2; 0Voltage levels: 0; E/2
1
Duty cycle
vAO [u.r.]
α1 α2
-1 1 0
+ -
+ -
iload
A O
S1
S1c
S2
S2c
Du
Dd
E
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Total losses in power devicesTotal losses in power devices
Simulated distribution of losses in 3L-NPC converter featuring Eupec IGBTs (VDC= 3000V, Irms=200A, fs=1000Hz, Eupec
FF200R33KF2C): (a) PF=-1, M=0.05, (b) PF=1, M=0.95
2929
( ) [ ]π∈⋅= 0, x,xsinMxfT1
( ) ( ) ( )[ ]θ+θ⋅θ−π⋅π⋅⋅⋅
=⋅⋅θ−⋅⋅π
= ∫π
θ
sincos4
M2IdxxfxsinI221I 1T
1conTavg
( )( ) ( ) ( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ θ⋅⋅+θ⋅+⋅
π⋅=⋅⋅θ−⋅⋅
π= ∫
π
θ
2cos31cos
341
2MIdxxfxsinI2
21I 1T
21conTrms
( ) ( )( )θ+π
=θ−π
= ∫π
θ
cos12
2IdxxsinI221I 1swT
avg
( )( ) ( )⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ θ
+θ−π⋅π
=⋅θ−π
= ∫π
θ22sin
21IdxxsinI2
21I
21swTrms
The following hypotheses were considered to calculate the losses in power devices:
the load is linear;the load current is sinusoidal;the current and voltage ripples are neglected;the dead times of the IGBT modules are neglected.
T1
+ -
+ -
iload
A O
S1
S1c
S2
S2c
Du
Dd
E
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Structure multicellulaire imbriquée (Flying Capacitor)
+ ⇒
2LCellule de base
2LCellule de base
+
E
iload + E/2
E
iload +
E
iload +
Principe de la structure:
Association série directeAjout d’une source flottante intermédiaireFractionner la tension d’entrée par combinaison
3LCellule 3 niveaux de tension
(Meynard 1991)
On ajoute simplement une source intermédiaire pour fixer le potentiel aux bornes des interrupteurs de la structure
3030Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Combinaisons possibles (en Hacheur) :
3131
+
E
+
E/2
iload
C1 C2
S1 S2
S1c S2c
+
E
+
E/2
iload S1 S2
S1c S2c
+
E
+
E/2
iload S1 S2
S1c S2c
+
E
+
E/2
iload S1 S2
S1c S2c
+
E
+
E/2
iload S1 S2
S1c S2c
Vs = E Vs = E/2
Vs = E/2 Vs = 0
3 niveaux de tension [0, E/2, E]2 possibilités pour faire du E/2
Identifications des cellules de commutationIdentifications des cellules de commutation
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
3232
Combinaisons possibles (en onduleur à point milieu) :
+ E/2
+
E/2
iload
S1 S2
S1c S2c
+
E/2
+ E/2
+
E/2
iload
S1 S2
S1c S2c
+
E/2
+ E/2
+
E/2
iload
S1 S2
S1c S2c
+
E/2
+ E/2
+
E/2
iload
S1 S2
S1c S2c
+
E/2
3 niveaux de tension [-E/2, 0, E/2]2 possibilités pour faire du 0
Vs = E/2 Vs = 0
Vs = 0 Vs = -E/2
+ E/2 +
E/2
iload
C1 C2
S1 S2
S1c S2c
+
E/2
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Exemple de réalisation industrielle
Solution Alstom:
Conversion 4 niveauxStructure Flying Capacitor
Locomotive T13 utilisant un convertisseur multicellulaire 3kV
33333333
Exemple de réalisation industrielle
3333Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
+ E + E/2 iload
3~
+ E + E/2
iload
C1 C2
S1 S2
S1c S2c
Réalisation par une source idéale:
Réalisation de la source flottante
3434
Structure TROP coûteuse et complexe Les porteuses sont décalées de 180° (cas idéal)
Réalisation par un condensateur flottant:
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
S1
Sd1 Sd2
S2
S2c
E/2
0
Sr
0 Tsw/2 Tsw
E/2 0
(a)
-E/2
VAO
S1c
PP
O2O2 O1
S1
S1c
S2
S2c
Sr
0 Tsw/2 Tsw
Sd1 Sd2
O3
E/2
-E/2
O4
NN0
E/2 0
(b) VAO
O4
+ E/2 +
E/2
iload
C1 C2
S1 S2
S1c S2c
+
E/2
O A
Stratégie MLI (doublement de la fréquence en sortie)
Properties:V ripple = E/2F ripple = Fd/2V max IGBT = E/2
Properties:V ripple = E/2F ripple = Fd/2V max IGBT = E/2
3535
FdLE
FdL/EImax ⋅⋅
=⋅⋅⋅
=Δ1624
2Voltage levels: -E/2; 0Voltage levels: 0; E/2
Stratégie MLI (doublement de la fréquence en sortie)Stratégie MLI (doublement de la fréquence en sortie)Stratégie MLI (doublement de la fréquence en sortie)
3535
Stratégie MLI (doublement de la fréquence en sortie)
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
3636
Bilan sur le control de la tension flottante
Les courants à la fréquence de découpage participent de façon prépondérante sur l’équilibrage naturelSi les sources flottantes sont déséquilibrées, il existe des harmoniques à la fréquence de découpage sur la tension de sortie
Trois solutions:
+ E + E/2
iload
C1 C2
S1 S2
S1c S2c
Rf Lf Cf
+ E + E/2
iload
C1 C2
S1 S2
S1c S2c
Control actif
Je fait rien J’ajoute une filtre auxiliaire
Je mets en place un contrôle actif(-) Équilibrage naturel LENT(-) Si pas de charge, pas d’équilibrage(-) Si charge fortement inductive (machine) peu d’harmonique à Fd, donc équilibrage Très Lent(+) ne nécessite rien d’autre
(+) Équilibrage naturel RAPIDE(+) Si pas de charge, équilibrage naturel quand même (+) Si charge fortement inductive (machine), pas de problème(-) nécessite l’ajout d’une filtre (par phase)
(+) Équilibrage contrôle en boucle fermée RAPIDE(-) Si pas de charge, pas d’équilibrage (-) La dynamique peut dépendre du niveau de courrant en sortie
+ E + E/2
iload
C1 C2
S1 S2
S1c S2c
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
3737
QQelements sur le dimensionnement
+ E + E/2
iload
C1 C2
S1 S2
S1c S2c
Rf Lf Cf
IGBT
Calibre en tension E/2Calibre en courrant IsFréquence Fd
Condensateur Flottant
Tension E/2
maxVcFdpI
C s
Δ⋅⋅⋅=
2
Filtrage
Le facteur 4 sur l’ondulation de courrant nous permet soit de diviser l’ondulation par 4 (à même inductance que le 2 niveaux) OU diviser l’inductance par 4 pour la même ondulation
Charge auxiliaire
Fréquence de résonance à Fd
dff
f fCL
⋅⋅=⋅
= πω 21
102
.LCR
zf
ff <=
Sélectivité
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Structure 3L-ANPC (Brückner, 2001)
3838
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
Properties:V ripple = E/2F ripple = FdV max IGBT = E/2
Properties:V ripple = E/2F ripple = FdV max IGBT = E/2
FdLE
FdL/EImax ⋅⋅
=⋅⋅⋅
=Δ1624
2
Properties:V ripple = E/2F ripple = FdV max IGBT = E/2
Properties:V ripple = E/2F ripple = FdV max IGBT = E/2
Properties:V ripple = E/2F ripple = Fd/2V max IGBT = E/2
Properties:V ripple = E/2F ripple = Fd/2V max IGBT = E/2
MLI 1 MLI 2 MLI 3
FdLE
FdL/EImax ⋅⋅
=⋅⋅
=Δ84
2MLI 1MLI 2
MLI 3
α1=α3
1
vAO [u.r.] 1
α2
-1 0
α2
1
vAO [u.r.] 1
α1 α3
-1 0
Duty cycle Duty cycle
α2
(b) (a)
Duty cycle α2
1
vAO [u.r.] 1
α1
α3
-1 0
(c)
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
3L-ANPC: Stratégie MLI 1
α2
1 Duty cycle
vAO [u.r.]
α1 α3
-1 1 0 (b)
3939
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
(a)
Voltage levels: -E/2; 0Voltage levels: 0; E/2
S1
S1c
S2
S2c
S3
S3c
VAO
0
Sr*
0 Tsw/2 Tsw
E/2 0
(a)
carrier H
O+
E/2
P
O+
S1
S1c
S2
S2c
S3
0
V*
0 Tsw/2 Tsw
E/2 0
(b)
S3c
O- O-
-E/2
VAO
N
carrier L
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
10*iload
uAOE/2
-E/2
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
4040
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
MLI 1: combinaisons possibles
Sr>0 Sr<0
uAO=E/2 uAO=0 uAO=0 uAO=-E/2
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
Properties:V ripple = E/2F ripple = FdV max IGBT = E/2
Properties:V ripple = E/2F ripple = FdV max IGBT = E/2
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
3L-ANPC: MLI 1
MLI 1: Implémentation PSIM
Simulated results for the 3L-ANPC PWM-1 (VDC/2=1500V, R=5Ω, L=10mH, M=0.8, fs=1000Hz)
4141Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Total losses in power devicesTotal losses in power devices
Simulated distribution of losses in 3L-ANPC PWM-1 converter featuring Eupec IGBTs (VDC= 3000V, Irms=200A, fs=1000Hz, Eupec FF200R33KF2C): (a) PF=-1, M=0.05, (b) PF=1, M=0.95
4242
( )( ) ( ) ( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ θ⋅⋅+θ⋅+⋅
π⋅=⋅⋅θ−⋅⋅
π= ∫
π
θ
2cos31cos
341
2MIdxxfxsinI2
21I 1T
21conTrms
The following hypotheses were considered to calculate the losses in power devices:
the load is linear;the load current is sinusoidal;the current and voltage ripples are neglected;the dead times of the IGBT modules are neglected.
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
( ) ( ) ( )[ ]θ+θ⋅θ−π⋅π⋅⋅⋅
=⋅⋅θ−⋅⋅π
= ∫π
θ
sincos4
M2IdxxfxsinI221I 1T
1conTavg
( ) ( )( )θ+π
=θ−π
= ∫π
θ
cos12
2IdxxsinI221I 1swT
avg
( )( ) ( )⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ θ
+θ−π⋅π
=⋅θ−π
= ∫π
θ22sin
21IdxxsinI2
21I
21swTrms
T1
( ) [ ]π∈⋅= 0, x,xsinMxfT1
3L-ANPC: MLI 1
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
3L-ANPC: Stratégie MLI 2
4343
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
α1=α3
1
vAO [u.r.] 1
α2
-1 0
Duty cycle
α2
Properties:V ripple = E/2F ripple = FdV max IGBT = E/2
Properties:V ripple = E/2F ripple = FdV max IGBT = E/2
Sr>0Sr<0
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
E/2
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
E/2
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Sr>0 Sr<0
4444
MLI 2: Combinaisons possibles
S1
S1c
S2
S2c
S3
S3c
VAO
0
Sr
0 Ts
E/2 0
(a)
Sd1
O+
E/2
P
O+
S1
S1c
S2
S2c
S3
0
Sr
0 Ts
E/2 0
(b)
S3c
O-O-
-E/2
VAO
N
Sd2
Voltage levels: -E/2; 0Voltage levels: 0; E/2
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
E/2
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
E/2
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
S1
S3c
S2
S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
S1
S3c
S2
S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
10*iload
uAOE/2
-E/2
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
E/2
uAO=E/2 uAO=0
4545
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
E/2
S1
S3c
S2
S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
S1
S3c
S2
S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
uAO=-E/2uAO=0
MLI 2: Combinaisons possibles
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
3L-ANPC: MLI 2
MLI 2: Implémentation PSIM
Simulated results for the 3L-ANPC PWM-2(VDC/2=1500V, R=5Ω, L=10mH, M=0.8, fs=1000Hz)
4646Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Total losses in power devicesTotal losses in power devices
Simulated distribution of losses in 3L-ANPC PWM-2 converter featuring Eupec IGBTs (VDC= 3000V, Irms=200A, fs=1000Hz, Eupec FF200R33KF2C): (a) PF=-1, M=0.05, (b) PF=1, M=0.95
4747
( )( ) ( ) ( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ θ⋅⋅+θ⋅+⋅
π⋅=⋅⋅θ−⋅⋅
π= ∫
π
θ
2cos31cos
341
2MIdxxfxsinI2
21I 1T
21conTrms
The following hypotheses were considered to calculate the losses in power devices:
the load is linear;the load current is sinusoidal;the current and voltage ripples are neglected;the dead times of the IGBT modules are neglected.
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
( ) ( ) ( )[ ]θ+θ⋅θ−π⋅π⋅⋅⋅
=⋅⋅θ−⋅⋅π
= ∫π
θ
sincos4
M2IdxxfxsinI221I 1T
1conTavg
( ) ( )( )θ+π
=θ−π
= ∫π
θ
cos12
2IdxxsinI221I 1swT
avg
( )( ) ( )⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ θ
+θ−π⋅π
=⋅θ−π
= ∫π
θ22sin
21IdxxsinI2
21I
21swTrms
( ) [ ]π∈⋅= 0, x,xsinMxfT1
3L-ANPC: MLI 2
T1
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
3L-ANPC: Stratégie MLI 3 (Prof. D. FLORICAU, 2008)
4848
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
Properties:V ripple = E/2F ripple = 2FdV max IGBT = E/2
Properties:V ripple = E/2F ripple = 2FdV max IGBT = E/2
Sr>0Sr<0
Duty cycle α2
1
vAO [u.r.] 1
α1
α3
-1 0
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A iload
R
L
E/2
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Sr>0 Sr<0
4949
MLI 3: Combinaisons possibles
Voltage levels: -E/2; 0Voltage levels: 0; E/2
S1
S1c
S2
S2c
0
Sr
0 Ts
E/2 0
(a)
Sd2 Sd1
O2+O1
+ O1+
E/2
-E/2
vAO
P P
S3
S3c
Sd2 Sd1
E/2
0
0 Ts
E/2 0
(b)
O1-
N N
O2- O1
-
-E/2
S1
S1c
S2
S2c
Sr
vAO
S3
S3c
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A iload
R
L
E/2
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
10*iload
uAOE/2
-E/2
5050
MLI 3: Spectre de la tension de sortie
Spectre de la tension de sortie 2N:
Fs=50Hz
Fd=1kHz
Fs=50Hz
2Fd=1000Hz
Spectre de la tension de sortie 3N-ANPC PWM 3:
Fd=500Hz
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
3L-ANPC: MLI 3
MLI 3: Implémentation PSIM
Simulated results for the 3L-ANPC PWM-3 (VDC/2=1500V, R=5Ω, L=10mH, M=0.8, fs=500Hz)
5151Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Total losses in power devicesTotal losses in power devices
Simulated distribution of losses in 3L-ANPC PWM-3 converter featuring Eupec IGBTs (VDC= 3000V, Irms=200A, fs=500Hz, Eupec FF200R33KF2C): (a) PF=-1, M=0.05, (b) PF=1, M=0.95
5252
( )( ) ( ) ( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ θ⋅⋅+θ⋅+⋅
π⋅=⋅⋅θ−⋅⋅
π= ∫
π
θ
2cos31cos
341
2MIdxxfxsinI2
21I 1T
21conTrms
The following hypotheses were considered to calculate the losses in power devices:
the load is linear;the load current is sinusoidal;the current and voltage ripples are neglected;the dead times of the IGBT modules are neglected.
S1
S3c
S2 S1c
S3
S2c
+ -
+ -
E
A O iload
R
L
( ) ( ) ( )[ ]θ+θ⋅θ−π⋅π⋅⋅⋅
=⋅⋅θ−⋅⋅π
= ∫π
θ
sincos4
M2IdxxfxsinI221I 1T
1conTavg
( ) ( )( )θ+π
=θ−π
= ∫π
θ
cos12
2IdxxsinI221I 1swT
avg
( )( ) ( )⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ θ
+θ−π⋅π
=⋅θ−π
= ∫π
θ22sin
21IdxxsinI2
21I
21swTrms
( ) [ ]π∈⋅= 0, x,xsinMxfT1
3L-ANPC: MLI 3
T1
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Séquences de commutation pour 3L-ANPC
5353
Switch Sequence Output Voltage
(vA0)
Switching State S1 S1c S2 S2c S3 S3c
-VDC/2 N 0 0 0 1 0 1
O- 0 0 0 1 1 0 0 O+ 0 1 1 0 0 0
VDC/2 P 1 0 1 0 0 0
Switch Sequence Output Voltage
(vA0)
Switching State S1 S1c S2 S2c S3 S3c
-VDC/2 N 0 0 0 1 0 1
O- 0 0 0 1 1 0 0 O+ 0 1 1 0 0 0
VDC/2 P 1 0 1 0 0 0
Switch Sequence Output Voltage
(vA0)
Switching State S1 S1c S2 S2c S3 S3c
-VDC/2 N 0 1 0 1 0 1
O1- 0 0 0 1 1 0
O2- 0 1 1 0 0 1
O1+ 0 1 1 0 0 0
0
O2+ 1 0 0 1 1 0
VDC/2 P 1 0 1 0 1 0
MLI 1 MLI 2
MLI 3
Fin Chapitre 4
The three PWM strategies differ by the type and by the number of zero switching states.
The zero switching states can be used to distribute losses more evenly among the semiconductors. The intention is not to save total converter losses, but to distribute them equally.
The commutations to or from the zero states determine the distribution of the switching losses.
All commutations take place between one active switch and one diode. Even if more than two devices turn on or off, only one active switch and one diode experience essential switching losses.
The distribution of conduction losses during the zero states can be controlled by the selection of the upper or lower ANPC path.
The conduction losses in the states P and N cannot be influenced.
Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
5L-SMC Commutation Cell (Gateau, 2001)
VDC
iload
A O
+ -
+ -
+ -
VDC
iload
3L-FC(1991)
3L-SC(1980)
iload
A O
+ -
+ -
VDC
+ ⇒
5L-Stacked Multilevel Converter(Gateau, 2001)
5454Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
5L-ANPC Commutation Cell (Barbosa, 2005)5L-ANPC Commutation Cell (Barbosa, 2005)
+ -
VDC
iload
+ -
+ -
VDC
iload
A O
+ ⇒
ANPC-3L(2001)
FC-3L(1992)
5L-Barbosa Topology (2005) (5L-ANPC)
+ -
+ -
iload
A O
VDC
Fig. 13
Fig. 14
Fig. 15
5555Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
PWM Strategy for 5L-ANPCPWM Strategy for 5L-ANPC
+ -
+ -
iload
A
O
VDC
S1
S1c
S2
S2c
S3
S3c
S4
S4c
R
L
S1
S1c
S2
S2c
V*
0 Tsw/2 Tsw
VDC/4 0
(a)
carrier 1 carrier 2
P1 P1
VDC/2
0
VAO
S3, 4
S3c, 4c
P1
O+ O+VDC/4
S1
carrier 1 carrier 2
S2
S2c
S3, 4
VDC/2
0
V*
0 Tsw/2 Tsw
VDC/4
0(b)
S3c, 4c
VDC/4
VAO
S1c
VDC/4
P2P2
P1P1 P1
Higher levels: 0, +VDC/4, +VDC/2Higher levels: 0, +VDC/4, +VDC/2
Fig. 16
Fig. 17
5656Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
PWM Strategy for 5L-ANPCPWM Strategy for 5L-ANPC
+ -
+ -
iload
A
O
VDC
S1
S1c
S2
S2c
S3
S3c
S4
S4c
R
L
S1
carrier 3 carrier 4
S2
S2c
S3, 4
-VDC/2
0
V*
0 Tsw/2 Tsw
VDC/4 0
(c)
S3c, 4c
-VDC/4
VAO
S1c
-VDC/4
O- O-N1N1 N1
S1
S1c
S2
S2c
V*
0 Tsw/2 Tsw
VDC/4
0
(d)
carrier 3 carrier 4
N1 N1
-VDC/2
0
VAO
S3, 4
S3c, 4c
N1
N2
-VDC/4 N2
-VDC/4 Lower levels: 0, -VDC/4, -VDC/2Lower levels: 0, -VDC/4, -VDC/2
Fig. 18
5757Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
+ -
+ -
iload
A
O
VDC
S1
S1c
S2
S2c
S3
S3c
S4
S4c
R
L
Simulation results for 5L-ANPCSimulation results for 5L-ANPC
VDC=800V, Fs=500Hz, R=1Ω, L=1mH, M=0.9VDC=800V, Fs=500Hz, R=1Ω, L=1mH, M=0.9
5858Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
3L-SNPC Commutation Cell (Floricau, 2007)
• It is made of 6 switches (3 commutation cells: S1-S1c , S2-S2c and S3-S3c) disposed on three sides and two clamp diodes (Du, Dd) ;
• Each switch is capable to support a voltage equal to VDC/2.
iload
+ -
+ -
VDC
A O
S1
S1c S3
S3c S2c
S2 Du
Dd
α2 1
vAO [u.r.] 1
α10.5
α3
-1 0
Duty cycle
(a) PWM1 (b) PWM2
α2
1 Duty cycle
1
α1
α3
vAO [u.r.] -1 0
The commutation cells are controlled with duty cycles α1, α2 and α3:
5959Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Sinusoidal PWM-1 Strategy for 3L-SNPC
S1
S1c
S2
S2c
S3 S3c
VAO
0
V*
0 Tsw/2 Tsw
VDC/20
(a)
carrier H
O+
VDC/2
P
O+
S1
S1c
S2
S2c
S3
0
V*
0 Tsw/2 Tsw
VDC/2 0
(b)
S3c
O-O-
-VDC/2
VAO
N
carrier L
Voltage levels: -VDC/2; 0Voltage levels: 0; VDC/2
N state
iload>0
+ -
+ -
VDC
A
O
iload<0
+ -
+ -
VDC
A O
S1
S1c S3
S3c S2c
S2 Du
Dd
S1
S1c S3
S3c S2c
S2 Du
Dd
O- state
iload<0
iload>0
+ -
+ -
VDC
A O
S1
S1c S3
S3c S2c
S2 Du
Dd
P state
iload>0 iload<0
iload>0
+ -
+ -
A O
S1
S1c S3
S3c S2c
S2 Du
Dd
O+ state
iload<0 VDC
(a)
(b)
6060Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008
Sinusoidal PWM-2 Strategy for 3L-SNPC
S1
S1c
S2
S2c
0
V*
0 Tsw/2 Tsw
VDC/2 0
(a)
carrier 1 carrier 2
O2+
O1+ O1
+
VDC/2
-VDC/2
VAO
P P
S3
S3c
O1- state
iload>0 + -
+ -
VDC
A
O
iload<0
+ -
+ -
VDC
A
O
S1
S1c S3
S3c S2c
S2 Du
Dd
S1
S1c S3
S3c S2c
S2 Du
Dd
O2- state
iload<0
iload>0
+ -
+ -
VDC
A O
S1
S1c S3
S3c S2c
S2 Du
Dd
O2+ state
iload>0
iload<0
iload>0
+ -
+ -
A O
S1
S1c S3
S3c S2c
S2 Du
Dd
O1+ state
iload<0 VDC
(a)
(b)
Voltage levels: 0; VDC/2
S1
carrier 1 carrier 2
S2
S2c
S3
VDC/2
0
V*
0 Tsw/2 Tsw
VDC/2 0
(b)
S3c
O1-
N N
O2-O1
-
-VDC/2
VAO
S1c
Voltage levels: -VDC/2; 0
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Experimental results for 3L-SNPC converter
3L-SNPC Structure
FPGA Card
RL LoadR=16.7ΩL=6mH
iload
+ -
+ -
VDC
A O
S1
S1c S3
S3c S2c
S2 Du
Dd R
L
100V/div, 5A/div, 4ms/div
3L-SNPC
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Merci pour votre attention
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F I N