Contributions to the characterization and design optimization of power converters based on switching-cell arrays

Abstract

(English) The search for standardization in power converter design is motivated by the potential of a significant decrease in design time, a significant decrease in converter cost, and an increase in converter performance features. A systematic design process of power converters employing standard components is to be found. One recent approach to reach this goal consists of the design of power converters based on the so-called switching-cell arrays (SCAs). An SCA is a matrix arrangement of highly optimized switching cells (SCs) that can be interconnected in different ways to implement active neutral-point-clamped converter legs with different voltage and current ratings. These legs can then be used to implement the complete switching block of power converters. Each SC is composed of an active switch with an antiparallel diode controlled by a self-powered gate driver. The design process of power converter legs based on SCAs offers several degrees of freedom and advantages, and a thorough exploration of the potential of this new promising approach remains a pending issue. The general purpose of this thesis is to explore the potential of the power converter design based on SCAs built upon a limited number of different SCs. This research is focused on the search for the optimal diversity of SCs, SCAs configurations, and switching strategies to implement optimized SCA-based power converter legs considering efficiency, reliability, and simplicity. To be able to compare different possible designs of SCA-based power converter legs, firstly, an appropriate steady-state average thermo-electrical model is derived to allow estimating the losses and temperature of all power semiconductor devices within the converter leg. The effectiveness and accuracy of this model in capturing the main performance features of the system are verified through analytical and experimental comparisons. Secondly, to further extend the performance analysis, a fast reliability assessment of neutral-point-clamped topologies through Markov models is developed. Model assumptions are verified through experimental tests. Besides, the reliability comparison of different converter leg configurations based on the proposed model is presented. Then, employing the proposed thermo-electrical and reliability models, the thermal and reliability benefits of configuring the power semiconductor block of power converters with several small standard power semiconductor devices instead of a few larger ones at a fixed total chip area are explored. The effectiveness of a finer power semiconductor device granularity is analyzed in the context of a synchronous buck converter design under different operating conditions and while employing SCAs to implement the semiconductor-component block of the power converter leg. Finally, an automated design optimization approach based on a surrogate algorithm is presented to determine the optimal design configuration of SCA-based power converter legs, including the number of parallel SCs in each converter leg position and the distribution of switching losses among SCs. Two types of conversion systems are considered in order to illustrate the design optimization approach: a synchronous buck de-de converter and a three-phase dc-ac converter.

(Español) La busqueda de estandarizacion en el diseno de convertidores de potencia esta motivada por el potencial de una disminucion significativa en el tiempo de diseno, una disminucion significativa en el coste del convertidor y un aumento en las prestaciones del convertidor. Un proceso de diselio sistematico de convertidores de potencia empleando componentes estandar podrfa ayudar en esta direccion. Un enfoque reciente para alcanzar este objetivo consiste en el diselio de convertidores de potencia basados en las denominadas matrices de celdas de conmutacion (SCAs). Una SCA es una disposicion matricial de celdas de conmutacion (SCs) altamente optimizadas que se pueden interconectar de diferentes maneras para implementar ramas de convertidor con enclavamiento active a punto neutro con diferentes valores nominales de voltaje y corriente. Estas ramas se pueden usar para implementar el bloque de conmutacion complete de los convertidores de potencia. Cada SC esta compuesta por un interrupter active con diode antiparalelo controlado por un controlador de puerta autoalimentado. El proceso de diselio de ramas de convertidores de potencia basadas en SCAs ofrece varies grades de libertad y ventajas. Sin embargo, la exploracion exhaustiva del potencial de este nuevo enfoque prometedor sigue siendo un tema pendiente. El proposito general de esta tesis es explorar el potencial del diseno de convertidores de potencia basados en SCAs construidas con un numero limitado de SCs diferentes. Esta investigacion se centra en la busqueda de la diversidad optima de SCs, de las configuraciones optimas de SCAs y de las estrategias optimas de conmutacion para implementar ramas optimizadas de convertidor de potencia basadas en SCA considerando eficiencia, fiabilidad y simplicidad. Para poder comparar diferentes disenos posibles de ramas de convertidores de potencia basadas en SCA, en primer lugar, se deriva un modelo termoelectrico promedio de estado estacionario apropiado para permitir estimar las perdidas y la temperatura de todos los dispositivos semiconductores de potencia dentro de la rama del convertidor. La eficacia y precision de este modelo para capturar las principales prestaciones del sistema se verifican mediante comparaciones analfticas y experimentales. En segundo lugar, para ampliar aun mas el analisis de prestaciones, se desarrolla una evaluacion rapida de la fiabilidad de las topologfas de enclavamiento a punto neutro mediante modelos de Markov. Los supuestos del modelo se verifican mediante pruebas experimentales. Ademas, se presenta la comparacion de fiabilidad de diferentes configuraciones de ramas de convertidor basadas en el modelo propuesto. En tercer lugar, empleando los modelos termoelectricos y de fiabilidad propuestos, se exploran los beneficios termicos y de fiabilidad al configurar el bloque de semiconductores de potencia de los convertidores de potencia con varies dispositivos semiconductores de potencia estandar pequenos en lugar de unos pocos mas grandes, manteniendo un area de chip total fija. La eficacia de una granularidad de dispositivo semiconductor de potencia mas fina se analiza en el contexto de un diselio de convertidor reductor sfncrono en diferentes condiciones de funcionamiento, empleando SCAs para implementar el bloque de componentes semiconductores de la rama del convertidor de potencia. Finalmente, se presenta un metodo de optimizacion basado en un algoritmo surrogate para determinar la configuracion optima de las ramas de convertidores de potencia basadas en SCA, incluyendo el numero de SCs paralelas en cada posicion de la rama del convertidor y la distribucion de perdidas de conmutaci6n entre las SCs. Se consideran dos tipos de sistemas de conversion para ilustrar este metodo automatizado de diselio 6ptimo: un convertidor cc-cc reductor sfncrono y un convertidor cc-ca trifasico.