Skip to main content
SUPERVISOR
Hamid Reza Karshenas
حمیدرضا کارشناس (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Hossein Zoofaghari
محمدحسین ذوفقاری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394

TITLE

Analysis of Series Connection Issues of High Power Semiconductor Switches and Active Voltage Control Method for Voltage Balancing
This thesis is concerned with series connection issues of IGBTs and methods of voltage balancing (active voltage control in particular). The wide use of high voltage converters in power electronics applications such as high power traction and industrial drives, high voltage dc transmission systems (HVDC) and flexible ac transmission systems (FACTS) in recent years calls for high voltage power semiconductor switches. Insulated gate bipolar transistor (IGBT) as a high power semiconductor switch with attractive features are increasingly being used in the mentioned applications. However, due to some technological issues, the maximum voltage blocking capability of commercially available IGBTs is 6.5kV. Higher voltage ratings for switches in high voltage converters can be achieved by connecting IGBTs in series. The main problem with the series connection of semiconductor switches is unbalanced static and dynamic voltage sharing. Static and dynamic voltage sharing are respectively defined as equal voltage sharing between series-connected switches in off-state and in switching transients (turn-off and turn-on). Unequal voltage sharing can damage the overstressed switch or reduce its lifetime that can in turn cause failure or make the system less reliable. Static voltage sharing can be achieved easily, however, there are more difficulties with dynamic voltage balancement. Spread in device parameters and external circuit conditions are two main causes of voltage unbalancement. Proper selection of devices and symmetrical design reduce the unequal voltage sharing. However, near ideal dynamic voltage sharing can only be attained by special methods and extra circuitry. Snubbers, active voltage clamping and active gate control are three main methods for mitigating voltage sharing. Some parameters such as voltage unbalancement mitigation degree, effective operation region, switching and circuit losses, scalability, reliability, complexity and cost are among the most important criteria for voltage balancing method selection. In this thesis, issues, challenges and practical considerations of series connection of IGBTs are discussed and investigated. Voltage balancing methods are also introduced and a comparison of them is made. Active voltage control (AVC) as a closed-loop control by a high degree of unbalancement mitigation introduced and an AVC-based gate drive designed and implemented. In this method in the simplest way the collector-emitter voltage of IGBT is compared with a reference, the error passes through a proportional controller and after current amplification is applied to IGBT gate resistor. In order to improve AVC performance two extra feedbacks, gate-emitter voltage and collector-emitter derivative are added to form a cascaded active voltage control (CAVC) method. Effect of different parameters on AVC performance to control the voltage of a single IGBT and then to resolve voltage unbalancement of two series-connected IGBTs is discussed and verified using implementation results. Keywords: IGBTs series connection, static voltage sharing, dynamic voltage sharing, active voltage control (AVC), power semiconductor switch
این پایان‌نامه به بررسی چالش­های سری­کردن IGBTها و روش‌های ایجاد تعادل ولتاژ(به طور خاص روش کنترل اکتیو ولتاژ) می‌پردازد. گسترش استفاده از مبدل‌های ولتاژ بالا در کاربردهای الکترونیک قدرت نظیر درایوهای الکتریکی توان بالا، قطارهای برقی پرقدرت، سیستم‌های انتقال توانdc ولتاژ بالا (HVDC) وادوات FACTSنیاز به استفاده از کلیدهای نیمه‌هادی قدرت ولتاژ بالا را افزایش داده است. در این خصوصIGBTبه عنوان یک کلید نیمه‌هادی قدرت با قابلیت تحمل ولتاژهای متوسط و عبورجریان‌های بالا، سهولت استفاده و قیمت مناسب به طرز رایجی مورد استفاده است. اما به دلیل محدویت‌های تکنولوژی در ساخت IGBT ولتاژ بالا، امروزه بیش‌ترین ولتاژ در دسترس برای IGBT تجاری 5/6 کیلوولت است. از این رو در مبدل‌هایی که نیاز به کلیدهایی با قابلیت تحمل ولتاژهای بالاتر وجود دارد نیاز به سری‌کردن کلیدهای ولتاژ پایین‌تر ایجاد می‌شود.اما سری‌کردن کلیدهای نیمه‌هادی همواره با مشکلاتی همراه است. مهم‌ترین چالش در سری‌کردن کلیدهای نیمه‌هادی قدرت و به طورخاص IGBT، ایجاد تعادل ولتاژ استاتیکی و دینامیکی بین کلیدهای سری‌شده است. تعادل ولتاژ استاتیکی بدین معناست که در حالت خاموش بودن کلیدها، ولتاژ اعمالی به رشته سری به طور یکسان بین کلیدهای رشته تقسیم شده‌باشد. به طور مشابه تعادل ولتاژ دینامیکی بدین معناست که در لحظات گذر از حالت روشن به خاموش و بالعکس، ولتاژ اعمالی به طور مساوی تقسیم شود. در صورتی که عدم تعادل ولتاژ به شکل مناسبی برقرار نشود کلیدها به راحتی آسیب دیده و یا طول عمر آن‌ها کاهش می‌یابد که منجر به بروز خطا یا خرابی در مبدل‌ها و یا کاهش قابلیت اطمینان آن‌ها می‌گردد. ایجاد تعادل ولتاژ استاتیکی معمولا به سادگی انجام می‌گیرد اما ایجاد تعادل ولتاژ دینامیکی دارای چالش‌ بیش‌تری است. تفاوت در پارامترهای کلیدها و شرایط مدارهای خارجی دو عامل عمده ایجاد عدم تعادل ولتاژ هستند. انتخاب مناسب کلیدها و طراحی متقارن مدار عدم تعادل را کاهش می‌دهد. اما برای ایجاد هرچه بیش‌تر تعادل ولتاژ دینامیکی روش‌های مختلفی تاکنون ارائه شده است. این روش‌ها به سه دسته کلی اسنابر، کلمپ اکتیو ولتاژ و کنترل اکتیو گیت تقسیم می‌شوند که هریک به شکل‌های مختلفی پیاده‌سازی می‌شوند. مسائلی نظیر میزان بهبود عدم تعادل ولتاژ، ناحیه موثر عملکرد، تلفات کلیدزنی، قابلیت گسترش‌پذیری، قابلیت اطمینان، پیچیدگی و هزینه از معیارهای مقایسه این روش‌ها هستند. در این پایان نامه، مسائل و چالش‌های سری‌کردن IGBTها و ملاحظات عملی لازم مرتبط با آن‌ مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. نیز انواع روش‌های ایجاد تعادل ولتاژ معرفی و مزایا و معایب آن‌ها مقایسه شده است. روش کنترل اکتیو ولتاژ (AVC) به عنوان یک روش کنترل حلقه بسته با بیش‌ترین میزان بهبود عدم تعادل، معرفی و یک مدار راه‌انداز مبتنی بر آن طراحی و پیاده‌سازی شده است. در این روش در ساده‌ترین شکل ولتاژ کلکتور-امیتر کلید با یک ولتاژ مرجع مقایسه شده و خطا پس از عبور از کنترل‌کننده تناسبی و تقویت جریان به گیت کلید اعمال می‌شود. جهت بهبود عملکرد این روش حلقه فیدبک مشتق ولتاژ کلکتور-امیترو فیدبک ولتاژ گیت-امیترنیز می‌تواند به مدار اضافه شود (روش CAVC). تاثیر پارامترهای مختلف در عملکرد روش AVCابتدا جهت کنترل ولتاژ یک IGBT و سپس برای ایجاد تعادل ولتاژ بین دو IGBT سری‌شده به کمک پیاده‌سازی عملی بررسی شده است. کلمات کلیدی : 1- سری‌کردن IGBT ها 2- توزیع ولتاژ استاتیکی 3- توزیع ولتاژ دینامیکی 4- روش کنترل اکتیو ولتاژ (AVC) 5- کلید نیمه‌هادی قدرت

تحت نظارت وف ایرانی