Three-level inverter for medium voltage level using series connected IGBTs
Authors
Sundvall, Jan ; Pilgaard Vaerens, Mads Chr.
Term
10. term
Education
Publication year
2008
Pages
198
Abstract
Moderne vindmøller leverer over 5 MW, hvilket stiller store krav til de elektriske komponenter. I fuldskala back-to-back invertere går al effekt gennem et fælles DC-link. En typisk DC-linkspænding omkring 1 kV giver høj strøm og kræver store ledere; ved at øge DC-linkspændingen kan strømmen og ledningstabet reduceres, så lederne kan gøres mindre. Dette projekt undersøger at hæve DC-linken til mellemspænding (2,4 kV) ved hjælp af standard IGBT’er (en udbredt effekttransistor), ved at anvende en tre-niveau invertertopologi og seriekoblede IGBT-moduler. Der analyseres også beskyttelsesmetoder til inverteren. På baggrund af analysen blev der designet, bygget og testet et tofaset, tre-niveau NPC (neutralpunkt-klampet) invertersystem for 2,4 kV DC og 200 A. For at sikre ens spændingsdeling og god dynamik i de seriekoblede IGBT’er blev snubberkredsløb (små kredsløb der dæmper spændingsspidser og styrer omskiftning) analyseret, designet og implementeret. Beskyttelsen var baseret på desaturationsdetektion (fejlregistrering når en transistor ikke leder korrekt) og spændingsklampning. Til test blev der opbygget en mellemspændings DC-forsyning og en induktiv last. Resultaterne viste, at seriekoblede IGBT’er sammen med zener-klampede snubberkredsløb kan øge inverterens spændingsrating med acceptabel ydelse. Tre-niveau topologien er velegnet til mellemspænding, fordi den deler spændingen mellem komponenterne. Spændingsklampning gav ikke den forventede beskyttelse og var derfor ikke det optimale valg i dette projekt.
Modern wind turbines deliver more than 5 MW, which places high demands on their electrical components. In full-scale back-to-back converters, all power flows through a common DC link. A typical DC link voltage of around 1 kV leads to high currents and thick conductors; raising the DC link voltage reduces current and conduction losses, allowing smaller conductors. This project explores increasing the DC link to medium voltage (2.4 kV) using standard IGBTs (a common high-power transistor), by applying a three-level inverter topology and series-connected IGBT modules. Protection schemes for the inverter are also analyzed. Based on the analysis, a two-phase, three-level NPC (neutral-point-clamped) inverter system for 2.4 kV DC and 200 A was designed, built, and tested. To ensure equal voltage sharing and good dynamic performance of the series IGBTs, snubber circuits (small networks that absorb voltage spikes and shape switching) were analyzed, designed, and implemented. The protection strategy used desaturation detection (fault sensing when a transistor stops conducting properly) and voltage clamping. A medium-voltage DC power supply and an inductive load were built for testing. The results show that series-connected IGBTs, together with zener-clamped snubber circuits, can increase an inverter’s voltage rating with acceptable performance. The three-level topology suits medium voltage because it shares voltage among devices. Voltage clamping did not perform as expected and was not the optimal choice for this project.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents