Dreilevel-Wechselrichter mit dynamischer und adaptiver Unterdrückung der Gleichtaktspannung
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Hauptziel dieses Projekts war es, die Ursprünge der Common-Mode-Voltage (CMV)- Störungen in SiC-MOSFET-basierten Drei-Level-T-Typ-Wechselrichtern (3LTTI), die in Antriebssystemen verwendet werden, zu untersuchen und Methoden zu deren Minderung vorzuschlagen. Dieses Projekt zielte speziell darauf ab, die Frage zu beantworten: „Ist eine vollständige Unterdrückung der CMV praktisch möglich?“ Daher analysierte dieses Projekt die Spannungsdynamik von SiC-MOSFET-basierten Wechselrichtern, mit Fokus auf die Ausschalt- und Einschaltprozesse. Für den Ausschaltprozess wurden zwei Szenarien betrachtet. Bei hohen Lastströmen wurde das linearisierte MOSFET-Modell angewendet, um Spannungsübergangszeiten genau vorherzusagen. Bei niedrigen Lastströmen war das Modell ineffektiv, da der Kanalstrom gegen null tendiert. Stattdessen wurde ein vereinfachter analytischer Ausdruck basierend auf der Aufladung der Ausgangskapazitäten abgeleitet, um eine praktische Näherung zu liefern. Die Spannungsübergangszeiten variierten mit dem Laststrom und nahmen mit zunehmendem Laststrom ab. Beim Einschalten lieferte das linearisierte Modell genaue Vorhersagen, die relativ stabil waren und weniger auf Laststromvariationen reagierten. Diese Modelle wurden dann im CMV-Vorhersagemodell verwendet. Obwohl das Erreichen von null CMV in einem Zwei-Level-Spannungsquellen-Wechselrichter (2L-VSI) theoretisch nicht möglich ist, kann dies in einem 3LTTI durch die Auswahl spezifischer Schaltzustände realisiert werden. Jedoch erzeugt das notwendige gleichzeitige Schalten von zwei Halbbrücken in Null-CMV-Methoden signifikante CMV-Störungen aufgrund der Totzeit und Unterschiede in den Spannungsübergangszeiten der Ausgänge. Dieses Projekt schlug Methoden zur Minderung dieser CMV-Störungen durch Totzeit- und Kantenzeitkompensation vor, die eine präzise Anpassung der Übergangszeiten in den Gate-Ansteuersignalen beinhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Totzeitkompensation CMV im Frequenzbereich bis zu 1 MHz signifikant reduzieren kann. Darüber hinaus führt die Integration der Kantenzeitkompensation mit der Totzeitkompensation zu einer zusätzlichen CMV-Reduktion bis zu 1 MHz. Die Untersuchung ergab, dass aufgrund des Klingeleffekts und variabler Anstiegs- und Abfallzeiten der Wechselrichterausgangsspannungen das Erreichen von null CMV praktisch nicht erreichbar ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung der null CMV-Technik mit Totzeit- und Kantenzeitkompensation ähnliche Ergebnisse wie aktive EMI-Filtermethoden liefert, wobei niederfrequente EMI-Rauschen effektiv reduziert werden, jedoch weiterhin Herausforderungen bei der Minderung hochfrequenter (HF) Rauschen bestehen. Die signifikante Reduktion niederfrequenter Störungen minimiert die Größe passiver Filter.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Common-mode emi noise modeling of three-level t-type inverter for adjustable speed drive systems,” in 2022 24th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’22 ECCE Europe), IEEE, 2022, pp. 1–8.
V. Karakasli, A. Allioua & G. Griepentrog
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Common-Mode Voltage in Three-Level T-Type Inverter: Modeling, Analysis, and Compensation. 2024 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2586-2593. IEEE.
Karakaşlı, Vefa; Jamal, Adeel; Griepentrog, Gerd & Safdarzadeh, Omid
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“Online measurement of rise and fall times in SiC MOSFET- based inverter output voltage,” in Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) Europe 2024, IEEE
V. Karakasli, A. Jamal & G. Griepentrog
