Kolmitasoisen vaihtosuuntaajan tehoasteen simulaatiomallin kehitys
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2020-01-20
Department
Major/Subject
Electrical Power and Energy Engineering
Mcode
ELEC3024
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
fi
Pages
70 + 4
Series
Abstract
Työn tavoitteena oli kehittää simulaatiomalli kolmitasoisen ANPC-vaihtosuuntaajan tehoasteesta, jota käytetään aurinkosähköinverttereissä. Simulaatiomallin kehittämiseen käytettiin komponenttitason testausta, jolla tehoasteen olennaisimmat komponentit karakterisoitiin ja mallinnettiin. Suuntaajan passiivikomponenttien impedanssit mitattiin, ja sen puolijohteet testattiin käyräpiirturin ja tuplapulssikokeen avulla. Käytetty IGBT-komponenttimalli pohjautuu yksinkertaiseen bipolaaritransistorin ja MOSFET-transistorin sijaiskytkentään, jonka parametrisointi esitetään työssä. Diodille ja IGBT:lle käytetyn mallin kytkentäkäyttäytymistä arvioitiin simuloidussa tuplapulssikoeympäristössä. IGBT-mallin sytytyskäyttäytyminen todettiin hyväksi, mutta sammutuskäyttäytymistä jouduttiin kompensoimaan toteuttamalla hitaampi sammutus hilaohjaimelta. Komponenttitason mallit yhdistettiin koko tehoastetta kuvaavaksi malliksi, ja mallin toimintaa arvioitiin simuloimalla induktiiviselle kuormalle kulkevan virran kommutointia. Testissä syntyvät puolijohteiden sammutuksen jännitepiikit mitattiin myös oikealta suuntaajalta, ja simuloitujen ja mitattujen piikkien suuruutta verrattiin keskenään. Mallin ennustamat jännitepiikit olivat yhdessä kytkimessä noin 20 prosenttia liian pieniä, kun taas kahdessa muussa kytkimessä virhe jäi noin 10 prosentin luokkaan. Suurimmat virheet syntyivät pienimmän kuormavirran toimintapisteissä, sillä kehitetty IGBT-malli optimoitiin toimimaan tarkemmin suuremmalla kuormavirralla. Lisäksi virheitä aiheuttanee työssä käytetty liian yksinkertainen hajainduktanssimalli, joka ei ota komponenttien keskinäisinduktansseja huomioon.The purpose of this thesis was to create a simulation model for the power stage of a three-level ANPC converter used in solar power inverters. The simulation model was developed using component-level testing, which was used to model and characterize the most essential components in the power stage. The passive components were characterized using impedance measurements, while the semiconductors were tested using a curve tracer and a double-pulse test. The IGBT model used is based on simple equivalent circuit consisting of existing MOSFET and bipolar junction transistor models, and the parametrization of the model is presented. The switching behaviour of the IGBT and the diode model was validated in a simulated double pulse test environment. The turn-on behavior of the IGBT model was found to be precise, but the turn-off behavior had to be compensated by implementing a slower turn-off for the simulated gate driver. The component level models were then combined into a power stage model, and the model was validated by simulating commutations with an inductive load. The voltage spikes occuring in the semiconductors at the turn-off were also measured from the real inverter, and the magnitudes of the measured and simulated voltage spikes were compared. It was observed that the voltage spikes estimated by the model were 20 percent lower than measured ones in one of the switches, while in two other switches the relative error was approximately 10 percent. The largest errors were observed in the simulations with the lowest load currents since the developed IGBT model was optimized for high load currents. Additional errors are likely due to too simple stray inductance model used in the work, which doesn't take into account the mutual indutances of different components of the inverter.Description
Supervisor
Kyyrä, JormaThesis advisor
Leppänen, JoonasKeywords
vaihtosuuntaaja, ANPC, simulaatio, IGBT, mallinnus