Abstracts Engineering

Analysis and Performance Evaluation of a Three-phase Three-level Sparse Neutral Point Clamped Converter for Industrial Variable Speed Drives

by Pengpeng Sun

This thesis project focuses on the simulation, design, hardware realization, and performance evaluation of a Three-phase Three-level (3-L) Sparse Neutral Point Clamped Converter (SNPCC) for Industrial Variable Speed Drives (VSDs). The basic operating principle of the SNPCC is briefly described based on switching functions. Accordingly, the modulation strategies as a combination of switching sequences are introduced. Three representative strategies are selected to be verified in this project. Afterward, active and passive components are selected based on analytical analysis mainly focusing on semiconductors losses, AC-side differential mode and common mode stresses. Meantime, the analytical analysis enables a straightforward performance comparison among the selected modulation strategies. Additionally, the reverse recovery process in the anti-parallel diode is identified, of which the energy losses are calculated. A calorimetric method is adopted in this project, which allows accurate temperature rise monitoring and provides a reliable way to measure the power losses generated by semiconductors. Eventually, an 800V 7.5kW prototype is constructed and put under test. The performance of the designed SNPCC is therefore evaluated and compared from losses and AC-side flux-linkage ripples perspectives, with the promising features highlighted and limits indicated. Projektet fokuserar på simulering, konstruktion, hårdvarutillverkning och utvärdering av en trefas tre-nivå (3-L) Sparse Neutral Point Clamped Converter (SNPCC) för industriella varvtalsstyrda motordrifter (VSD). SNPCC:s grundläggandefunktionsprincip beskrivs kortfattat utifrån så kallade switchningsfunktioner. Därefter introduceras moduleringsstrategierna som en kombination av switchningssekvenser. Tre representativa strategier har valts ut för att verifieras i detta projekt. Därefter väljs aktiva och passiva komponenter på grundval av en analys som främst fokuserar på halvledarförluster och ledningsbundna störningar på växelsströmssidan. Analysen gör det möjligt att göra en enkel jämförelse av prestanda mellan de valda moduleringsstrategierna. Dessutom identifieras body-diodens återhämtningsprocess och energiförlusterna beräknas. I detta projekt används en kalorimetrisk förlustberäkning, som möjliggör noggrann övervakning av temperaturökningen och ger ett tillförlitligt sätt att mäta energiförlusterna i effekthalvledarna. Slutligen konstrueras och testas en 800V 7.5kW-prototyp. Prestandan hos den konstruerade SNPCC:n utvärderas med hänseende till förluster och flödesrippel på växelströmssidan. Fördelarna för den föreslagna tekniken lyfts fram och begränsningarna anges.