Wat zijn de voordelen van de 3L-ANPC converter voor ultrafast elektrische voertuigladers?

Het testen van de voorgestelde convertertopologie, die gebruik maakt van de 3L-ANPC-structuur, heeft belangrijke resultaten opgeleverd voor de ontwikkeling van ultrafast elektrische voertuigladers. Bij de simulatie en experimentele testen van verschillende fasen van de converter werd duidelijk dat de uitgevoerde aanpassingen, vooral met betrekking tot de harmonische frequenties, de efficiëntie van het systeem verbeteren en tegelijkertijd de elektromagnetische interferentie (EMI) aanzienlijk verlagen.

Bij het testen van een enkele fase van de converter werd vastgesteld dat het uitgangsvermogen met een RMS-waarde van 333 kW per fase werd overgedragen, met elke fase die 111 kW aan vermogen verwerkte. De golven die werden verkregen bij deze simulaties toonden een duidelijke vermindering van de eerste en tweede schakelharmonische clusters bij frequenties van respectievelijk 333 kHz en 666 kHz, en de eerste schakelharmonische cluster werd verschoven naar de frequentie van 1 MHz. Dit zorgde voor een merkbare afname van de ruis in het systeem, wat essentieel is voor de stabiliteit en betrouwbaarheid van de lader.

Bij de experimentele testen van de 50 kW downscale 7L ANPC converter werd de invloed van de schakelfrequentie op de EMI opnieuw bevestigd. De schakelfrequentie werd ingesteld op 150 kHz, waarbij de eerste schakelharmonische cluster op 450 kHz werd waargenomen. Dit resulteerde in een vermindering van de magnitude van de uitgangsspanning tot slechts 35 V, in vergelijking met de 200 V bij de 150 kHz schakelfrequentie in de 3L-ANPC leg. Deze afname in spanning resulteert niet alleen in minder EMI, maar maakt het systeem ook veel efficiënter en geschikt voor toepassing in snel opladen van elektrische voertuigen.

De modulariteit van de converter speelt een cruciale rol in de prestaties van het systeem. De parallelle opstelling van drie 3L-ANPC cellen, die samen één fase van de lader vormen, zorgt ervoor dat de belasting gelijkmatig wordt verdeeld. Dit resulteert in een betere belastingstabiliteit en voorkomt oververhitting van individuele cellen. De symmetrische verdeling van de belasting draagt bij aan een gelijkmatige werking van de converter, wat vooral belangrijk is voor toepassingen die een constante en betrouwbare stroom vereisen, zoals ultrafast laders.

Wanneer de drie fasen van de converter als geheel worden getest, waarbij de fasebelasting is ingesteld op 1 MW met elke fase die 333 kW verwerkt, worden de resultaten verder bevestigd. De golven die tijdens de simulaties werden verkregen, tonen aan dat het systeem in staat is om de spanningsharmonischen efficiënt te onderdrukken, met behoud van een stabiele en gecontroleerde vermogensoverdracht. Dit maakt de converter topologie niet alleen geschikt voor gebruik in elektrische voertuigladers, maar ook voor andere toepassingen die een hoge vermogensdichtheid vereisen zonder aanzienlijke storingen of efficiëntieverlies.

Wat belangrijk is om te begrijpen bij het gebruik van deze convertertopologie, is dat de modulatie van de schakelfrequenties niet alleen zorgt voor een efficiënte spanningsregeling, maar ook bijdraagt aan de vermindering van elektromagnetische interferentie. Dit is essentieel voor het voldoen aan de strikte normen voor elektrische voertuigen en andere toepassingen waar het gebruik van gevoelige elektronische componenten vereist is.

De rol van SiC (Silicon Carbide) gebaseerde halfgeleiders in dit systeem is van groot belang. SiC MOSFETs, zoals de CREE C2M0040120, maken het mogelijk om hogere schakelfrequenties te bereiken zonder aanzienlijke verliezen in de efficiëntie, wat het hele systeem voordelig maakt voor toepassingen die snel en continu hoge vermogens vereisen. De technologie biedt de mogelijkheid om converters te ontwerpen die zowel efficiënt als kosteneffectief zijn voor snel opladen van elektrische voertuigen.

Hoe beïnvloedt de grootte van halfgeleider schakelaars en het volume van magnetische componenten de prestaties van DPP topologieën?

Een van de belangrijkste factoren bij de vergelijking van topologieën is het totale oppervlak van de halfgeleiders in de schakelaars. De grootte van de schakelaars wordt vaak uitgedrukt in termen van het product van de schakelfrequentie (Gsw) en de blokspanningscapaciteit (Vsw). De totale halfgeleideroppervlakte voor alle schakelaars wordt uitgedrukt als de som van GswV² sw voor elke schakelaar, wat een directe relatie heeft met het vermogen van de schakelaars om de belasting aan te kunnen. Dit wordt genormaliseerd om de vergelijking tussen verschillende topologieën eerlijker te maken, waarbij de oppervlakte van de schakelaars voor alle vergeleken topologieën gelijk wordt gehouden.

Bij de vergelijking van topologieën die geen magnetische componenten vereisen, zoals de SC-DPP (Switched Capacitor DPP), is er geen noodzaak om rekening te houden met de magnetische componenten. De uitgangsweerstand in deze systemen wordt gemodelleerd door de combinatie van de weerstanden van de schakelaars (Rds(on)) en de wikkelingweerstanden. Bij de analyse van topologieën zoals de ladder-DPP wordt ook het rendement van de inductieve componenten en de capaciteiten in de topologie meegenomen, wat de uiteindelijke uitgangsweerstand bepaalt.

Een andere interessante benadering is het vergelijken van de "fully coupled" DPP topologieën, waarbij verschillende schakelaars en magnetische componenten volledig worden gekoppeld, zoals te zien is in de ac- en dc-varianten van de DPP. Hier wordt het effect van het aantal schakelaars en de bijbehorende verliezen door de wisselstroom en de geleidbaarheid van de wikkelingen in verschillende topologieën gedetailleerd beschreven. Een belangrijk verschil tussen deze topologieën is de manier waarop energie tussen verschillende spanningsdomeinen wordt overgedragen, wat van invloed is op de algehele efficiëntie van de converter.

Voor de SC-DPP topologieën, zoals de Dickson-SC en ladder-SC DPP, is het verliesmodel ook belangrijk. Deze topologieën gebruiken condensatoren om de energie tussen verschillende spanningsdomeinen over te dragen, en dit proces veroorzaakt zogenaamde laaddelingsverliezen. Bij lage schakelfrequenties (SSL, Slow Switching Limit) zijn de laaddelingsverliezen een belangrijke factor in de energieverliezen van het systeem. Het gedrag van de condensatoren in deze topologieën wordt gemodelleerd door de charge transfer per schakelcyclus, wat bijdraagt aan de uiteindelijke uitgangsweerstand.

Wat betreft de vergelijking tussen DPP- en traditionele converterarchitecturen, wordt duidelijk dat DPP-topologieën doorgaans een efficiëntere verdeling van de halve schakelaars en magnetische componenten mogelijk maken, waardoor ze in veel gevallen efficiënter werken dan de meer conventionele benaderingen. De exacte prestaties zijn echter sterk afhankelijk van de configuratie van de schakelaars en de magnetische componenten, evenals de manier waarop de energie tussen de verschillende secties van het systeem wordt overgedragen.

Daarnaast is het belangrijk te begrijpen dat hoewel DPP topologieën potentieel betere prestaties kunnen bieden door een efficiënter gebruik van schakelaars en magnetische componenten, dit niet altijd het geval is voor elke toepassing. De keuze voor de juiste topologie hangt sterk af van de specifieke eisen van het systeem, zoals de benodigde efficiëntie, het vermogen, en de kosten. Het nauwkeurig modelleren van de verschillende verliezen, zoals schakelfrequenties en laaddelingsverliezen, is daarom essentieel om de beste prestaties uit een systeem te halen.

Wat zijn de effecten van het vervangen van siliciumdiodes door GaN-diodes in mediumspanning buck-boost converters?

In recente experimenten werd een traditionele mediumspanning buck-boost converter, oorspronkelijk uitgerust met silicium (Si) diodes, aangepast door elke diode te vervangen door twee galliumnitride (GaN) diodes. Deze aanpassing leidde tot diverse meetbare veranderingen in het gedrag van het systeem bij inputspanningen van 200 V, 400 V en 600 V. Het doel van deze analyse was om de invloed van GaN-diodes op de prestaties en het schakelgedrag van de converter te onderzoeken, met name in termen van spannings- en stroomgolven.

De GaN-diodes werden fysiek gemonteerd in TO220-behuizingen, zichtbaar op zowel de voor- als achterkant van de buck-boost printplaat. De tests maakten gebruik van bestaande besturingsalgoritmen die voorheen waren ontwikkeld voor het systeem met siliciumdiodes. Bij een startspanning van 200 V bleek dat de GaN-diodes aanvankelijk niet in continue geleidingsmodus werkten. Dit werd zichtbaar doordat de boost-diode spanningspieken vertoonde tussen 0 V en −5 V, wat wijst op discontinuïteit in de inductorstroom. Het systeem paste via de regeling langzaam de duty cycle aan, totdat rond 3,3 ms de continue geleidingsmodus werd bereikt en het uitgangsstroomniveau van 20 A behaald werd.

Een belangrijk waargenomen fenomeen was de geleidelijke toename van de voorwaartse spanningsval over de boost-diode tussen 3,3 ms en 5,7 ms. Dit wijst op interne weerstand in de GaN-diodes, wat een invloed heeft op het rendement. In tegenstelling tot siliciumdiodes, die bij lage spanningen een lagere voorwaartse spanningsval kennen, veroorzaakten de GaN-diodes hier een licht verhoogde spanningsval, wat resulteerde in een consistent lagere eindspanning van de uitgangscapaciteit. Bij 200 V lag deze zo’n 5 V lager dan bij het gebruik van siliciumdiodes.

Bij hogere startspanningen, 400 V en 600 V, volgden de spanningspieken en stroomgolven grotendeels het gedrag van de ingangsspanning. De boost-diode begon pas spanning te blokkeren nadat de boost-IGBT (isolated gate bipolar transistor) inschakelde, wat een normale werking van het schakelsysteem bevestigt. Toch viel op dat de respons van de buck-diode soms vertraagd leek, mogelijk door de meetinstrumentatie, maar ook door de dynamiek van de schakeling zelf.

Hoewel GaN-diodes doorgaans bekendstaan om hun hoge schakelsnelheid en verminderde schakelverliezen, bleek uit deze resultaten dat ze bij mediumspanningstoepassingen ook nadelen kunnen hebben, zoals een hogere voorwaartse spanningsval in vergelijking met siliciumdiodes. Dit aspect beïnvloedt direct de uitgangsspanning en het totale rendement van het systeem. Een mogelijke weg naar verbetering zou het ontwikkelen van GaN-diodes met een Schottky-junctie zijn, waarmee de voorwaartse spanningsval aanzienlijk gereduceerd kan worden.

Naast de elektrische metingen is het belangrijk te begrijpen dat het gedrag van inductieve componenten, zoals de hoofdspoel, direct gerelateerd is aan de schakelstrategie en het karakter van de gebruikte diodes. De overgang van discontinu naar continue geleidingsmodus beïnvloedt niet alleen de stroomgolven, maar ook de thermische belasting en het dynamisch gedrag van het systeem.

Ten slotte moet bij de keuze tussen silicium- en GaN-technologieën niet alleen gekeken worden naar de elektrische eigenschappen, maar ook naar de totale systeemvereisten, zoals schakelverlies, warmteafvoer, kosten en betrouwbaarheid. De huidige resultaten tonen aan dat GaN-diodes in hun huidige vorm een veelbelovende, maar nog niet perfecte vervanging zijn voor siliciumdiodes in buck-boost converters voor mediumspanning.

Hoe de Innovaties in SiC-gebaseerde Vermogensconverters de Toekomst van Medium-Spanning Technologieën Vormgeven

In de afgelopen jaren heeft de opkomst van SiC (Silicon Carbide) MOSFET’s voor middelspannings (MV) vermogensconverters de manier waarop we denken over energieomzetting en -beheer in diverse toepassingen drastisch veranderd. Deze nieuwe technologieën bieden enorme voordelen, niet alleen voor de efficiëntie en prestaties van converters, maar ook voor de mogelijkheid om converters in kleinere, meer compacte formaten te realiseren. Het resultaat is een aanzienlijke vermindering van zowel de grootte als de kosten van de converters, zonder concessies te doen aan de prestaties. Dit opent nieuwe deuren voor tal van industrieën, van het elektriciteitsnet en scheepssystemen tot de aandrijvingen van elektrische voertuigen.

Bij middelspannings converters worden tegenwoordig vaak 10 kV SiC MOSFET's gebruikt, die de traditionele Si IGBT's van lagere spanning vervangen. Deze geavanceerde halfgeleiders bieden vele voordelen, zoals hogere schakelfrequenties, betere efficiëntie, en een hogere vermogensdichtheid. Deze eigenschappen maken ze ideaal voor toepassingen die eisen stellen aan zowel de prestaties als de compacte afmetingen van convertertechnologieën.

De voordelen van deze innovaties in combinatie met SiC MOSFET-technologie zijn aanzienlijk. Ten eerste maximaliseren de converters het voordeel van de snelle omschakelingssnelheden van SiC, wat resulteert in een hogere vermogensdichtheid en efficiëntie. Ten tweede stellen de hogere spanningsniveaus en werktemperaturen van SiC-apparaten de converters in staat met minder vermogenscellen te werken, wat de koelvereisten verlicht. Dit is vooral gunstig voor toepassingen zoals maritieme distributiesystemen en microgrids, waar ruimte en gewicht vaak beperkt zijn. Verder kunnen deze converters zowel in AC- als DC-omzettingsmodi opereren, wat van groot belang is voor bijvoorbeeld maritieme systemen of MVDC-microgrids. Deze veelzijdigheid maakt de technologie geschikt voor een breed scala aan toepassingen.

Wat verder essentieel is voor het succes van SiC-gebaseerde converters, is het vermogen om de besturings- en communicatie-netwerken van de converters te verbeteren. De communicatie tussen de vermogenscellen moet snel en efficiënt zijn om de prestaties te optimaliseren, wat de ontwikkeling van geavanceerde communicatie- en besturingsnetwerken vereist. Dit is waar het succes van bijvoorbeeld de 24 kV, 2 MW MMC-prototype ligt, waarin de verbeterde besturingsmethoden SCC en ICBT in zowel AC- als DC-modus effectief werden gedemonstreerd.

De vooruitzichten voor SiC-gebaseerde converters zijn indrukwekkend, met toepassingen die zich uitstrekken van het elektriciteitsnet en hernieuwbare energie-integratie tot de aandrijving van elektrische voertuigen en spoorverkeer. Het gebruik van 10 kV SiC MOSFET's maakt het mogelijk converters te bouwen die zowel kleiner als krachtiger zijn dan ooit tevoren.

Voor een volledig begrip van de impact van deze technologieën is het van belang te realiseren dat de overgang naar SiC-gebaseerde systemen niet alleen een technologische verschuiving betekent, maar ook een verandering in de manier waarop we denken over de efficiëntie en duurzaamheid van onze energienetwerken. Het succes van SiC-converters hangt sterk af van de innovatie in zowel het ontwerp van de hardware als de ontwikkeling van geavanceerde besturingsmethoden, die de prestaties van converters in reële toepassingen optimaal kunnen benutten.

Hoe ontwerp je een effectieve CSI voor een hoogfrequent motorstuursysteem?

Het ontwerp van een motorstuurinrichting op basis van een Current Source Inverter (CSI) vereist een gedetailleerde benadering van de componentkeuzes en hun interactie om de efficiëntie, prestaties en betrouwbaarheid van het systeem te waarborgen. In dit hoofdstuk wordt ingegaan op de cruciale ontwerpprincipes, zoals de inductantie en de filtering van het systeem, evenals de selectie van de juiste componenten, waarbij zowel de theorie als praktische overwegingen worden behandeld.

De keuze van het kernmateriaal speelt een cruciale rol in de prestatie van de inductoren. In dit geval werd gekozen voor een poederkernmateriaal vanwege de hoge frequentiecapaciteit en de lage verliezen bij hoge stromen. Het gebruik van het Edge-poederkernmateriaal van Magnetics, Inc. heeft een aanzienlijke invloed gehad op de prestaties, omdat het de magnetische verzadiging bij hoge DC-link stromen minimaliseert. Dit zorgt ervoor dat de inductantie constant blijft, zelfs bij de hoge stromen die typisch zijn voor dergelijke toepassingen.

Een ander belangrijk punt in het ontwerp van de CSI is de parasitaire capaciteit van de inductoren. De parasitaire capacitantie kan de capaciteit van het systeem om CM-EMI effectief te onderdrukken, verminderen, vooral bij hoge frequenties. De resonantiefrequentie van de inductoren in dit ontwerp is gemeten op ongeveer 1.5 MHz, wat overeenkomt met de 12e harmonische frequentie bij een PWM-schakelfrequentie van 125 kHz. Hoewel deze resonantiefrequentie de basiswerking van de CSI niet beïnvloedt, beperkt deze de onderdrukkingscapaciteit van de CM-EMI bij frequenties boven deze resonantiefrequentie.

Naast de inductoren zijn de filtercapacitoren een ander essentieel onderdeel van de CSI. De capaciteiten van deze filtercapacitoren worden berekend met behulp van de formule $C_f = \frac{I_{dc}}{4f_{sw} \Delta V_{cf}}$, waarbij $\Delta V_{cf}$ de toegestane piek-piek spanningstrilling over de condensator is. In dit geval is de benodigde filtercapaciteit berekend op 1.88 μF, maar in de praktijk is gekozen voor een capaciteit van 2.2 μF, afhankelijk van de beschikbaarheid van commerciële capacitors. Keramische capacitors werden gekozen vanwege hun uitstekende prestaties bij hoge frequenties, lage equivalente seriële weerstand (ESR) en lage equivalente seriële inductantie (ESL). Een bijkomend voordeel van keramische capacitors is hun stabiliteit over een breed temperatuurbereik, wat ze ideaal maakt voor toepassingen met hoge omgevingscondities. Om echter de effecten van capacitantie-saturatie bij hoge spanning te verminderen, werden capacitors gekozen met een overgeschatte spanning van 1 kV, wat meer dan vier keer de piekspanning van de machine is bij maximale snelheid.

Een andere belangrijke component in het ontwerp van de CSI is het EMI-filter. Voor de onderdrukking van CM-EMI zijn Y-capacitors en common-mode chokes (CMC) gecombineerd in een hybride filterontwerp. De Y-capacitors, met een waarde van 1.2 nF, zijn effectief voor het verminderen van EMI bij hogere frequenties. De CMC, met een inductantie van 6.7 mH bij 150 kHz, is beter geschikt voor het onderdrukken van EMI in het bereik van 150 kHz tot 30 MHz. Dit gecombineerde filterontwerp voldoet aan de industriële CM-EMI-normen, zoals CISPR EN 55022-32, Klasse A, wat essentieel is voor de naleving van de regelgeving.

Bij de keuze van de permanente magneetmotor (PM-motor) voor de CSI-integrated motor drive (IMD) werd een Kollmorgen AKM-73P servo-motor geselecteerd. Deze motor heeft een vermogen van 4.72 kW en een spanning van 230 Vrms lijn-tot-lijn. De motor is ontworpen voor toepassingen zoals ventilatoren en pompen in HVAC-systemen, waarbij de maximale snelheid is ingesteld op 1650 rpm, wat overeenkomt met een fundamentele excitatiefrequentie van 137.5 Hz. De fysieke configuratie van de motor maakt het mogelijk om de CSI-elektronica en de besturingselementen in de behuizing van de motor te integreren, wat de ruimte en het gewicht optimaliseert.

Bij het ontwerpen van een CSI is het cruciaal om rekening te houden met de efficiëntie van het systeem bij de vereiste bedrijfsomstandigheden. Het juiste gebruik van inductoren, condensatoren en EMI-filters speelt een essentiële rol in het minimaliseren van verliezen en het verbeteren van de prestaties van de motor. Elk van deze componenten moet zorgvuldig worden geselecteerd op basis van de vereisten van de specifieke toepassing, rekening houdend met factoren zoals schakelfrequentie, stroomverhoudingen en EMI-normen.