Verkkovaihtosuuntaajan suuntaajasillan optimointi

Abstract

Tällä hetkellä yleisin pakkokommutoidun verkkovaihtosuuntaajan suuntaajasillan topologia pienjännitesovelluksissa on kaksitasoinen, kolmivaiheinen, jännitevälipiirillinen IGB-transistoreilla toteutettu suuntaaja. Sen hyvinä puolina ovat rakenteen ja ohjauksen yksinkertaisuus sekä edullisuus. Puolijohteiden häviöt ovat kuitenkin suuret ja sen seurauksena kytkentätaajuutta ei voida kasvattaa kovin korkeaksi. Kytkentätaajuus on tärkeä parametri, koska verkkovaihtosuuntaajakäytössä tarvitaan LCL-verkkosuodin, jonka koko on kääntäen verrannollinen kytkentätaajuuteen. Tällä hetkellä verkkosuodin on huomattavasti suurempi kuin suuntaajasilta. Monimutkaisemmissa useampitasoisissa topologioissa on pienemmät kytkentähäviöt, mikä mahdollistaa korkeamman kytkentätaajuuden käytön. Näiden topologioiden huonoina puolina ovat monimutkainen rakenne ja ohjaus. Ne ovat kuitenkin nousseet 2-tasoisen suuntaajasillan vaihtoehdoiksi, koska puolijohteiden hinta on laskenut sekä verkkosuotimen materiaalien, raudan ja kuparin, hinnat ovat nousseet. Tämän työn tavoitteena on tutkia eri suuntaajasiltatopologioita ja tuottaa tieto saavutettavista hyötysuhteista eri topologioilla useilla eri kytkentätaajuuksilla ja ulostulovirroilla. Hyötysuhdetarkastelussa otetaan huomioon ainoastaan puolijohteiden häviöt. Vertailussa ovat 2-tasoinen, 3-tasoinen NPC ja 3-tasoinen T-tyypin topologia. Topologioiden vertailu tehdään Microsoft Excel -pohjaisella simulaattorilla, jolla pystytään laskemaan topologioiden eri puolijohteiden keskimääräisiä häviötehoja halutuissa toimintapisteissä. Jotta topologioiden vertailu olisi tasapuolista ja järkevää, työnsimuloinnin lähtökohtana on, että jokaisen topologian puolijohteilla on fyysisesti sama tila jäähdytyselementillä. Kaupallisesti ei kuitenkaan ole tarjolla sopivia puolijohdemoduleita fyysisesti samankokoisissa moduleissa jokaisella topologialle, jolloin modulit täytyy luoda yksittäisistä puolijohdesiruista. Simulointi suoritettiin kahdella eri välipiirin jännitetasolla, 765 ja 1050 V, jolloin jokaiselle topologialle luotiin kaksi eri jänniteluokan puolijohdemodulia. Simuloinnit tehtiin sekä positiivisella että negatiivisella tehokertoimella, 1-15 kHz kytkentätaajuksilla ja useilla eri ulostulovirran arvoilla. Rajoittavina tekijöinä simuloinneissa oli puolijohdeliitoksen ja jäähdytyselementin lämpötilat, jotka olivat 140 ja 100 °C.