Thermal modelling of semiconductor switches in three-level Neutral Point Clamped Medium Voltage DTC-inverter

The aim of this thesis is to investigate the thermal loading of medium voltage three-level NPC inverter’s semiconductor IGCT switches in different operation points. The objective is to reach both a fairly accurate off-line simulation program and also so simple a simulation model that its implementation into an embedded system could be reasonable in practice and a real time use should become feasible. Active loading limitation of the inverter can be realized with a thermal model which is practical in a real time use. Determining of the component heating has been divided into two parts; defining of component losses and establishing the structure of a thermal network. Basics of both parts are clarified. The simulation environment is Matlab-Simulink. Two different models are constructed – a more accurate one and a simplified one. Potential simplifications are clarified with the help of the first one. Simplifications are included in the latter model and the functionalities of both models are compared. When increasing the calculation time step a decreased number of considered components and time constants of the thermal network can be used in the simplified model. Heating of a switching component is dependent on its topological position and inverter’s operation point. The output frequency of the converter defines mainly which one of the switching components is – because of its losses and heating – the performance limiting component of the converter. Comparison of results given by different thermal models demonstrates that with larger time steps, describing of fast occurring switching losses becomes difficult. Generally articles and papers dealing with this subject are written for two-level inverters. Also inverters which apply direct torque control (DTC) are investigated rarely from the heating point of view. Hence, this thesis completes the former material.

Tämän työn tarkoituksena on tutkia puolijohdekytkimien kuormitusta eri toimintapisteissä kolmitasoisessa jännitevälipiiritaajuusmuuttajakäytössä. Tavoitteena on paitsi kehittää tarkka lämpenemämalli myös toisaalta saavuttaa toinen, niin yksinkertainen simulaatiomalli kytkimien lämpenemisille, että implementointi sulautettuun järjestelmään olisi käytännössä järkevää, sekä että reaaliaikakäyttö tulisi mahdolliseksi. Reaaliaikakäyttöisellä lämpömallilla on mahdollista toteuttaa taajuusmuuttajan aktiivinen kuormituksen rajoittaminen. Komponentin lämpenemän määrittäminen on jaettu kahteen osioon; komponentin häviöiden määrittämiseen ja lämpöverkon rakenteen selvittämiseen. Kummankin osion perusteita on selvitetty ja lähtökohdista on johdettu yksinkertaisemmat laskukaavat jotka tekevät simulaatiomallin laskennasta tehokasta. Simulointiympäristönä on Matlab –ohjelmisto ja sen Simu-link työkalu. Simulointiympäristöön on rakennettu kaksi eri lämpömallia, joista ensimmäisen perusteella on pyritty selvittämään mahdollisia yksinkertaistamisvaihtoehtoja. Jälkimmäiseen malliin yksinkertaistukset on tehty ja mallien toimivuutta vertailtu. Aikatason kasvattaminen, tarkasteltavien komponenttien määrän vähentäminen ja lämpöverkon aikavakioiden vähentäminen ovat käytettyjä yksinkertaistusmenetelmiä. Riippuen taajuusmuuttajan toimintapisteestä, eri topologisessa asemassa olevat komponentit lämpenevät eri tavalla. Taajuusmuuttajan maksimikuormituksen määrittävä komponentti eri toimintapisteissä riippuu lähinnä käytetystä lähtötaajuudesta. Kahden eri lämpömallin tuloksien vertailu osoittaa, että suuremmalla aikatasolla nopeasti ilmenevien kytkentähäviöiden kuvautuminen tuottaa ongelmia ja tämän ongelman ratkaisu vaatii jatkotutkimusta. Suurimmassa osassa tämän aihepiirin aikaisemmin kirjoitetuissa teoksissa ja artikkeleissa on sovellettu kaksitasoista taajuusmuuttajaa. Myös suoraa vääntömomenttisäätöä (DTC) soveltavien taajuusmuuttajien lämpenemää on tutkittu harvakseltaan, joten tämä työ täydentää aikaisempaa tutkimusta.