Analysis of bidirectional switch power modules for matrix converter application

Abstract

Existeix una creixent demanda en aplicacions industrials que requereixen una transferència bidireccional de potència entre la xarxa elèctrica i una càrrega i viceversa com per exemple: elevadors, escales mecàniques, energies renovables (molins de vent, fotovoltaica, cel·les de combustible, xarxes elèctriques intel·ligents), tracció elèctrica, etc. La possibilitat de dur a terme una conversió AC-AC directa sense un bus de contínua és una realitat gràcies a la topologia de convertidor matricial de potència (CM). La típica configuració d’un CM consisteix en nou interruptors bidireccionals (IBDs) que connecten directament tres fases d’entrada de la xarxa amb tres fases de sortida d’una càrrega (típicament un motor). Controlant els IBDs d’una manera adequada, es poden obtenir una amplitud i freqüència de sortida variables. Per tant, l’IBD controlable esdevé l’element clau en la implementació de CMs, el qual és capaç de conduir corrent i bloquejar tensió en ambdues polaritats (operació en quatre quadrants) i operar a elevades freqüències de commutació.

L’objectiu d’aquesta tesi és l’anàlisi dels processos de commutació en els IBDs, predir la seva potència dissipada en un CM en operació normal i el desenvolupament d’un nou mòdul interruptor bidireccional controlable que integra l’etapa de potència amb la de control en un component que millora la modularitat i la viabilitat de les aplicacions del CM.

Primer de tot és important entendre com es comporten els IBDs en un CM. Mitjançant la simulació SPICE d’un CM simplificat de dues fases d’entrada i una de sortida s’han pogut analitzar els fenòmens de commutació que es donen entre IBDs. Commutacions dures i febles són generades en els dispositius de potència depenent de la tensió i el signe del corrent en l’IBD. Entendre els detalls dels processos de commutació permet una definició òptima de les estratègies de commutació entre IBDs i modelar la potència dissipada deguda a la seva commutació.

S’han analitzat també les característiques estàtiques i dinàmiques de varis dispositius de potència de diferent tecnologies emprats per implementar IBDs. Per aquest propòsit s’ha fabricat un circuit de test dinàmic basat en el circuit simulat de dues fases d’entrada i una de sortida abans esmentat. Aquest circuit de test ha permès avaluar IBDs discrets i mòduls de potència IBD integrats amb la mateixa placa de potència i de control. La potència en conducció i commutació s’han pogut modelar d’una manera acurada gràcies a les mesures extretes del comportament dels dispositius de l’IBD.

Aquesta tesi descriu també la implementació d’un mètode de computació per avaluar la potència dissipada en conducció i commutació (dura i feble) dels dispositius de potència de l’IBD. En base als models de pèrdues en conducció i commutació, la potència dissipada dels dispositius ha estat calculada en funció de diferent condicions d’operació del CM com l’algoritme de modulació, la freqüència de sortida, el ràtio entre tensió de sortida i d’entrada, el factor de potència de la càrrega i la freqüència de commutació. Tot aquest estudi esdevé una eina pràctica per ajudar al dissenyador del convertidor alhora de seleccionar els dispositius de potència òptims donada una aplicació i de predir d’una manera precisa la potència dissipada dels dispositius de potència per dimensionar i implementar un correcte sistema d’extracció de calor.

Finalment, un prototipus de mòdul interruptor bidireccional integrat de potència i intel·ligent (IBD-IPM) s’ha dissenyat, fabricat i testejat en un CM de tres fases d’entrada i una de sortida per donar un pas endavant en l'aplicació pràctica dels CMs. El IBD-IPM és en si mateix un sistema de potència complex perquè moltes disciplines convergeixen en ell: dispositius semiconductors de potència, gestió tèrmica, control a nivell de dispositiu i control d’alt nivell.

There is a wide and increasing demand in industrial applications which require bidirectional transfer of power between the AC utility and the load, and vice versa such as: rolling mills, elevators, centrifuges, escalators, renewable energies (wind turbines, photo-voltaic, fuel-cells; smart-grids), electric traction, etc. The possibility of performing a direct AC-AC conversion with the absence of a DC link is a fact thanks to the Matrix Converter (MC) topology. The typical configuration of a MC is based on nine bidirectional switches (BDSs) required to directly connect the three input phases of an AC grid with the three output phases of a load (typically, a motor). Controlling the BDSs in a suitable way, a variable amplitude and frequency can be obtained at the output. Consequently, the key element of the MC implementation is the controlled BDS which must be able to conduct current and block voltage in both polarities (four quadrant I-V operation) and to operate at relatively high switching frequencies.

The aim of this thesis is the analysis of the commutation processes in BDSs, the prediction of their power dissipation in typical MC operation and the development of a new controlled bidirectional switch module which integrates the power stage functionality with the intelligence in one component to enhance the modularity and feasibility of MC applications

First of all it is important to understand how behave the BDSs within a MC. A SPICE simulation work of a simplified two-phase to single-phase MC was performed in order to analyse the commutation phenomena involved between BDSs. Hard and soft commutations are undergone by the different power devices depending on the voltage across the BDS and the direction of the current through it. Understanding the details of the switching processes allow an optimum definition of the commutation strategies within BDSs and modelling of the switching power losses.

The static and dynamic characteristics of several power devices of different technologies used in BDS implementations are also analysed. A switching test circuit based on the aforementioned two-phase to single-phase MC was fabricated for this purpose. This MC test circuit allowed testing discrete BDSs as well as integrated power modules sharing the same power stage and control board. Based on the extracted measured data of the BDSs devices, their conduction and their switching losses were accurately modelled.

This thesis describes also the implementation of a computational method to evaluate the conduction and switching losses (hard and soft types) of the power devices within the BDS. Based on the conduction and switching losses models, the power losses of the semiconductor devices are calculated depending on different operating condition of the MC such as the modulation algorithm, the output frequency, the output to input voltage ratio, the load power factor and the switching frequency. All these studies resulted in a practical tool to help the converter designer to select the optimum power devices for a given application and to predict in an accurate way the semiconductors power losses in order to size and implement the suitable cooling system.

Finally in this work, an integrated bidirectional switch intelligent power module (BDS-IPM) prototype is designed, built and tested in a three-phase to one-phase MC in order to take a step forward in the practical implementation of MCs. The BDS-IPM is itself a complex power electronics system since many disciplines converge in it: power semiconductor devices, thermal power management, device level control (i.e. gate drive circuits) and high level control (i.e. current commutation strategy implementation, active protection issues).