cours multiniveaux

Structures Multiniveaux – chapitre 3Structures Multiniveaux – chapitre 3

Prof. Dan FLORICAUUniversité POLITEHNICA de Bucarest

Prof. Dan FLORICAUUniversité POLITEHNICA de Bucarest

11

Besoins applicatifsBesoins applicatifs

Secteur en Forte croissanceTensions de 2 à 10kPuissance de 300kW à 10MW

Cours SOCS - D. Floricau 2008Cours SOCS - D. Floricau 2008 22

Marine

Propulsion marine

Conversion d’Énergie en Forte Puissance:Exemple: Les applications Variation Vitesse Moyenne Tension

MétallurgieLaminoir

Cellule de conversion de base – 2NCellule de conversion de base – 2N

33

Properties:V ripple = EF ripple = FdV max IGBT = E


Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008

E

iload +

( ) 5.0pourmax,1FdL

EI =αα−⋅α⋅⋅

=Δ

FdL4EImax ⋅⋅

=Δ

Semi-conducteur de puissance:-gamme limitée (<6.5 kV)-performances réduites

Semi-conducteur de puissance:-gamme limitée (<6.5 kV)-performances réduites

33

Besoins applicatifs:-augmentation de la puissance-augmentation de la tension-augmentation des performances

Besoins applicatifs:-augmentation de la puissance-augmentation de la tension-augmentation des performances

Besoins applicatifsBesoins applicatifs

Wind energy

Pompage, …

44Cours SOCS – D. Floricau 2008Cours SOCS – D. Floricau 2008

Semi-conducteurs de PuissanceSemi-conducteurs de Puissance


Augmentation épaisseur

Augmentation surface

Épaisseur

Semi-conducteurs de PuissanceSemi-conducteurs de Puissance

Augmentation tenue en tension (+)Diminution des performances (-)

Surface

Augmentation courant (+)Performances équivalentes (=)

Calibre des interrupteurs de puissance

Surface silicium

composants semi-conducteur


Fractionnement ou associationsFractionnement ou associations

55

Pour adresser ces niveaux de tension / Puissance, deux solution sont possibles:

Fractionner les contraintes en tensionUtiliser des associations de cellules ou convertisseurs

Intérêts

Augmentation puissanceAugmentation des performancesMeilleure modularitéPlus de degré de liberté

Inconvénients

Répartition des contraintes Autoriser l’utilisation des degrés de liberté

Fractionnement ou associationsFractionnement ou associations


Intérêts

Augmentation de la tensionCalibre interrupteurs plus petitMacro composants plus performantsAugmentation Fd

Inconvénients

Répartition des contraintes dynamiquesPas d’amélioration des formes d’ondes

Association série directe de composantsAssociation série directe de composants

Fractionner les contraintes en tensionUtiliser des associations de cellules ou convertisseurs

88

Association série:


Cellule de conversion de base


99

Properties:V ripple = EF ripple = FdV max IGBT = E/2 ?

Properties:V ripple = EF ripple = FdV max IGBT = E/2 ?

Équilibrage

Répartition des contraintes dynamique

E/2

E/2

uAO

iload

E/2

E/2

Macro-composant

E

E/2 ? E/2 ?

E

A O

10*iload

E/2

E/2

uAOE/2

E/2

E/2

E/2

uAOE/2

E/2

uAOE/2

E/2

10*iload

uAOE/2

E/2



Fs=50Hz Fd=1kHz

Spectre de la tension de sortie 2 niveaux


Intérêts

Augmentation du courant traité

Inconvénients

Pad d’amélioration des performancesPas d’amélioration des formes d’ondes

Association parallèle de composantsAssociation parallèle de composants

Augmentation du courant

Association parallèle:





1212

Équilibrage

Répartition des contraintes dynamique


iload

E/2

E/2

Macro-composant

12121212


1212


1212


1212




Cellules de conversion superposées

1313

Structure 3L- SC4 (Stacked Cells, Bhagwat-1980)Structure 3L- SC4 (Stacked Cells, Bhagwat-1980)

E

iload

A O

S1

S1c S2

S2c

+ -

+ -

S1, S2c

ik

uk

E

S1c+ S2

E/2

ik

uk

Properties:V ripple = E/2F ripple = Fd

Properties:V ripple = E/2F ripple = Fd

V max IGBTV max IGBT

Contraintes en tension sur les interrupteurs



Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)

1313

E

iload

A O

S1

S1c S2

S2c

+ -

+ -

E

iload

A O

S1

S1c S2

S2c

+ -

+ -

E

iload

A O

S1

S1c S2

S2c

+ -

+ -

10*iload

uAOE/2

E/2


E

iload

A O

S1

S1c S2

S2c

+ -

+ -


1313


1313


1313



1313



1414

S1c+S2 interrupteur 4 quadrants ?S1c+S2 interrupteur 4 quadrants ?

iload>0, iload<0

iload>0, iload<0

Sr>0 Sr<0

Niveaux de tension: 0, E/2

Niveaux de tension: -E/2, 0


1 Duty cycle

vAO [u.r.]

α1 α2

-1 1 0

Sd1

Sd2

Sr

1515

Commande MLICommande MLI

α1Durée de conduction T1



1616

Analyse FFT de la tension de sortie pour 3L-SCAnalyse FFT de la tension de sortie pour 3L-SC

Spectre de la tension de sortie 2N:

Spectre de la tension de sortie 3N-SC:

Fs=50Hz

Fd=1kHz

Fs=50Hz

Fd=1kHz

FdL8E

FdL42/EImax ⋅⋅

=⋅⋅

=Δ

10*iload

uAOE/2

E/2

iload


La structure pourra donc être la suivante:

1717

Finalement … 3L-SC6Finalement … 3L-SC6

α2

1 Duty cycle

vAO [u.r.]

α1 α3

-1 1 0

Stratégie de commande:

tous les interrupteurs de la structure sont dimensionnés pour E/2

3 cellules de commutation




Cellule 1: S1-S1c

Cellule 2: S2-S2c

Cellule 3: S3-S3c

+ -

+ -

E

A O

S2

S2c

S1

S1c S3

S3c

iload


+ -

+ -

E

A O

S2

S2c

S1

S1c S3

S3c

iload 10*iload

uAO

iload>0, iload<0 iload>0, iload<0

Niveaux de tension: 0, E/2

Niveaux de tension: -E/2, 0

+ -

+ -

E

A O

S2

S2c

S1

S1c S3

S3c

iload

+ -

+ -

E

A O

S2

S2c

S1

S1c S3

S3c

iload

Implantation de la commandeImplantation de la commande

1818

Sr>0 Sr<0

Implantation de la commandeImplantation de la commandeImplantation de la commandeImplantation de la commandeImplantation de la commandeImplantation de la commande

18181818


1818


1818



Séquences de commutationSéquences de commutation

1919

+ -

+ -

E

A O

S2

S2c

S1

S1c S3

S3c

iload

S1

S1c

S2

S2c

S3

S3c

VAO

0

Sr

0 Tsw/2 Tsw

VDC/2 0

(a)

Sd1

O+

VDC/2

P

O+

Switch Sequence Output Voltage

(vA0)

Switching State S1 S1c S2 S2c S3 S3c

-E/2 N 0 1 0 1 0 1

O- 0 1 0 1 1 0 0 O+ 0 1 1 0 1 0

E/2 P 1 0 1 0 1 0

S1

S1c

S2

S2c

S3

0

Sr

0 Tsw/2 Tsw

VDC/2 0

(b)

S3c

O- O-

-VDC/2

VAO

N

Sd2

Voltage levels: -E/2; 0Voltage levels: 0; E/2


Calculus of total losses in power devicesCalculus of total losses in power devices

where: vCE0, rdT, vD0and rdD – parameters of the transistors and diodes

condDcondTcondX P PP +=

( )20condTrmsdT

condTavgCEcondT IrIvP ⋅+⋅=

The total losses (PX):

The conduction losses (PcondX):

The switching losses (PswX): ( ) ⎟⎠⎞⋅⎜

⎝⎛ +⋅+Δ⋅⋅⋅=

2swXrmsswX

swXavgswXswswX

def

swswswX ICIBA

vvfP

where, AswX, BswX, CswX and vdef – constants taken from the IGBT’s characteristics, Δsw – ratio between the switching interval and the switching period for semiconductor device

swXcondXX P PP +=

( )20condDrmsdD

condDavgDcondD IrIvP ⋅+⋅=

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)


Total losses in power devicesTotal losses in power devices

Simulated distribution of losses in 3L-SC converter featuring Eupec IGBTs (VDC= 3000V, Irms=200A, fs=1000Hz, Eupec

FF200R33KF2C): (a) PF=-1, M=0.05, (b) PF=1, M=0.95

2121

( ) [ ]π∈⋅= 0, x,xsinMxfT1

( ) ( ) ( )[ ]θ+θ⋅θ−π⋅π⋅⋅⋅

=⋅⋅θ−⋅⋅π

= ∫π

θ

sincos4

M2IdxxfxsinI221I 1T

1conTavg

( )( ) ( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ θ⋅⋅+θ⋅+⋅

π⋅=⋅⋅θ−⋅⋅

π= ∫

π

θ

2cos31cos

341

2MIdxxfxsinI2

21I 1T

21conTrms

( ) ( )( )θ+π

=θ−π

= ∫π

θ

cos12

2IdxxsinI221I 1swT

avg

( )( ) ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ θ

+θ−π⋅π

=⋅θ−π

= ∫π

θ22sin

21IdxxsinI2

21I

21swTrms

The following hypotheses were considered to calculate the losses in power devices:

the load is linear;the load current is sinusoidal;the current and voltage ripples are neglected;the dead times of the IGBT modules are neglected.

T1

+ -

+ -

E

A O

S2

S2c

S1

S1c S3

S3c

iload


2222

Structure 3L-NPC (Neutral Point Clamped)Structure 3L-NPC (Neutral Point Clamped)

Principe de la structure:Association série directeAjout 2 diodes clamp pour fixer la tension aux bornes des interrupteurs S1 et S2c lors de la

conduction de S2 et S1cFractionner la tension d’entrée



Cellule 1: S1-S1c

Cellule 2: S2-S2c

(Nabae, 1981)(Nabae, 1981)

+ -

+ -

E

O

S1

S1c

S2

S2c

Du

Dd

α2

1Duty cycle

vAO [u.r.] 1

α1

0 -1

iload

R

L

A


2323

3L-NPC: configuration possible3L-NPC: configuration possible

+ -

+ -

iload

A O

S1

S1c

S2

S2c

Du

Dd

E

+ -

+ -

iload

A O

S1

S1c

S2

S2c

Du

Dd

E

Properties:V ripple = E/2F ripple = FdV max IGBT = E/2


S1 et S2 = ONS1c et S2c = OFF

S1 et S2 = OFFS1c et S2c = ON

S1 et S2c = OFFS1c et S2 = ON

VAO = E/2

VAO = -E/2 VAO = 0

+ -

+ -

iload

A O

S1

S1c

S2

S2c

Du

Dd

E


+ -

+ -

iload

A O

S1

S1c

S2

S2c

Du

Dd

E

+ -

+ -

iload

A O

S1

S1c

S2

S2c

Du

Dd

E

2424

Le zéro volt par les diodes: 2 cas possibleLe zéro volt par les diodes: 2 cas possible

iload>0 iload<0

+ -

+ -

iload

A O

S1

S1c

S2

S2c

Du

Dd

E



1313

10*iload

uAOE/2

E/2

Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells) Structure 3L- SC (Stacked Cells)

1313


1313


1313


1313


Cellule 3L-NPC

2525

Cellule 3L-NPC = 2 cellules de base + 2 diodes clampCellule 3L-NPC = 2 cellules de base + 2 diodes clamp

iload>0, iload<0 iload>0, iload<0

Niveaux de tension: 0, E/2 Niveaux de

tension: -E/2, 0

Sr>0 Sr<0

+ -

+ -

iload A O

S1

S1c

S2

S2c

Du

Dd

E

+ -

+ -

iload

A O

S1

S1c

S2

S2c

Du

Dd

E

+ -

+ -

iload

A O

S1

S1c

S2

S2c

Du

Dd

E


1 Duty cycle

vAO [u.r.]

α1 α2

-1 1 0

Sd1

Sd2

Sr

2626

Commande MLICommande MLI

α1Durée de conduction

T1

α2Durée de conduction

T2


2727

Analyse FFT de la tension de sortie pour 3L-NPCAnalyse FFT de la tension de sortie pour 3L-NPC


Spectre de la tension de sortie 3N-NPC:

Fs=50Hz

Fd=1kHz

Fs=50Hz

Fd=1kHz

FdL8E

FdL42/EImax ⋅⋅

=⋅⋅

=Δ

10*iload

uAOE/2

E/2

iload


Séquences de commutationSéquences de commutation

2828

S1

S1c

S2

S2c

VAO

0

Sr

0 Ts

VDC/2 0

(a)

Sd1

O

VDC/2

P

O

S1

S1c

S2

S2c

0

Sr

0 Ts/2 Ts

VDC/2 0

(b)

O O

-VDC/2

VAO

N

Sd2

Switch Sequence Output

Voltage (vAO)

Switching State S1 S1c S2 S2c

-VDC/2 N 0 1 0 1

0 O 0 1 1 0

VDC/2 P 1 0 1 0 Voltage levels: -E/2; 0Voltage levels: 0; E/2

1

Duty cycle

vAO [u.r.]

α1 α2

-1 1 0

+ -

+ -

iload

A O

S1

S1c

S2

S2c

Du

Dd

E



Simulated distribution of losses in 3L-NPC converter featuring Eupec IGBTs (VDC= 3000V, Irms=200A, fs=1000Hz, Eupec

FF200R33KF2C): (a) PF=-1, M=0.05, (b) PF=1, M=0.95

2929

( ) [ ]π∈⋅= 0, x,xsinMxfT1

( ) ( ) ( )[ ]θ+θ⋅θ−π⋅π⋅⋅⋅

=⋅⋅θ−⋅⋅π

= ∫π

θ

sincos4

M2IdxxfxsinI221I 1T

1conTavg

( )( ) ( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ θ⋅⋅+θ⋅+⋅

π⋅=⋅⋅θ−⋅⋅

π= ∫

π

θ

2cos31cos

341

2MIdxxfxsinI2

21I 1T

21conTrms

( ) ( )( )θ+π

=θ−π

= ∫π

θ

cos12

2IdxxsinI221I 1swT

avg

( )( ) ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ θ

+θ−π⋅π

=⋅θ−π

= ∫π

θ22sin

21IdxxsinI2

21I

21swTrms



T1

+ -

+ -

iload

A O

S1

S1c

S2

S2c

Du

Dd

E


Structure multicellulaire imbriquée (Flying Capacitor)

+ ⇒

2LCellule de base

2LCellule de base

+

E

iload + E/2

E

iload +

E

iload +

Principe de la structure:

Association série directeAjout d’une source flottante intermédiaireFractionner la tension d’entrée par combinaison

3LCellule 3 niveaux de tension

(Meynard 1991)

On ajoute simplement une source intermédiaire pour fixer le potentiel aux bornes des interrupteurs de la structure


Combinaisons possibles (en Hacheur) :

3131

+

E

+

E/2

iload

C1 C2

S1 S2

S1c S2c

+

E

+

E/2

iload S1 S2

S1c S2c

+

E

+

E/2

iload S1 S2

S1c S2c

+

E

+

E/2

iload S1 S2

S1c S2c

+

E

+

E/2

iload S1 S2

S1c S2c

Vs = E Vs = E/2

Vs = E/2 Vs = 0

3 niveaux de tension [0, E/2, E]2 possibilités pour faire du E/2

Identifications des cellules de commutationIdentifications des cellules de commutation


3232

Combinaisons possibles (en onduleur à point milieu) :

+ E/2

+

E/2

iload

S1 S2

S1c S2c

+

E/2

+ E/2

+

E/2

iload

S1 S2

S1c S2c

+

E/2

+ E/2

+

E/2

iload

S1 S2

S1c S2c

+

E/2

+ E/2

+

E/2

iload

S1 S2

S1c S2c

+

E/2

3 niveaux de tension [-E/2, 0, E/2]2 possibilités pour faire du 0

Vs = E/2 Vs = 0

Vs = 0 Vs = -E/2

+ E/2 +

E/2

iload

C1 C2

S1 S2

S1c S2c

+

E/2


Exemple de réalisation industrielle

Solution Alstom:

Conversion 4 niveauxStructure Flying Capacitor

Locomotive T13 utilisant un convertisseur multicellulaire 3kV

33333333

Exemple de réalisation industrielle


+ E + E/2 iload

3~

+ E + E/2

iload

C1 C2

S1 S2

S1c S2c

Réalisation par une source idéale:

Réalisation de la source flottante

3434

Structure TROP coûteuse et complexe Les porteuses sont décalées de 180° (cas idéal)

Réalisation par un condensateur flottant:


S1

Sd1 Sd2

S2

S2c

E/2

0

Sr

0 Tsw/2 Tsw

E/2 0

(a)

-E/2

VAO

S1c

PP

O2O2 O1

S1

S1c

S2

S2c

Sr

0 Tsw/2 Tsw

Sd1 Sd2

O3

E/2

-E/2

O4

NN0

E/2 0

(b) VAO

O4

+ E/2 +

E/2

iload

C1 C2

S1 S2

S1c S2c

+

E/2

O A

Stratégie MLI (doublement de la fréquence en sortie)

Properties:V ripple = E/2F ripple = Fd/2V max IGBT = E/2


3535

FdLE

FdL/EImax ⋅⋅

=⋅⋅⋅

=Δ1624

2Voltage levels: -E/2; 0Voltage levels: 0; E/2

Stratégie MLI (doublement de la fréquence en sortie)Stratégie MLI (doublement de la fréquence en sortie)Stratégie MLI (doublement de la fréquence en sortie)

3535

Stratégie MLI (doublement de la fréquence en sortie)


3636

Bilan sur le control de la tension flottante

Les courants à la fréquence de découpage participent de façon prépondérante sur l’équilibrage naturelSi les sources flottantes sont déséquilibrées, il existe des harmoniques à la fréquence de découpage sur la tension de sortie

Trois solutions:

+ E + E/2

iload

C1 C2

S1 S2

S1c S2c

Rf Lf Cf

+ E + E/2

iload

C1 C2

S1 S2

S1c S2c

Control actif

Je fait rien J’ajoute une filtre auxiliaire

Je mets en place un contrôle actif(-) Équilibrage naturel LENT(-) Si pas de charge, pas d’équilibrage(-) Si charge fortement inductive (machine) peu d’harmonique à Fd, donc équilibrage Très Lent(+) ne nécessite rien d’autre

(+) Équilibrage naturel RAPIDE(+) Si pas de charge, équilibrage naturel quand même (+) Si charge fortement inductive (machine), pas de problème(-) nécessite l’ajout d’une filtre (par phase)

(+) Équilibrage contrôle en boucle fermée RAPIDE(-) Si pas de charge, pas d’équilibrage (-) La dynamique peut dépendre du niveau de courrant en sortie

+ E + E/2

iload

C1 C2

S1 S2

S1c S2c


3737

QQelements sur le dimensionnement

+ E + E/2

iload

C1 C2

S1 S2

S1c S2c

Rf Lf Cf

IGBT

Calibre en tension E/2Calibre en courrant IsFréquence Fd

Condensateur Flottant

Tension E/2

maxVcFdpI

C s

Δ⋅⋅⋅=

2

Filtrage

Le facteur 4 sur l’ondulation de courrant nous permet soit de diviser l’ondulation par 4 (à même inductance que le 2 niveaux) OU diviser l’inductance par 4 pour la même ondulation

Charge auxiliaire

Fréquence de résonance à Fd

dff

f fCL

⋅⋅=⋅

= πω 21

102

.LCR

zf

ff <=

Sélectivité


Structure 3L-ANPC (Brückner, 2001)

3838

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L



FdLE

FdL/EImax ⋅⋅

=⋅⋅⋅

=Δ1624

2





MLI 1 MLI 2 MLI 3

FdLE

FdL/EImax ⋅⋅

=⋅⋅

=Δ84

2MLI 1MLI 2

MLI 3

α1=α3

1

vAO [u.r.] 1

α2

-1 0

α2

1

vAO [u.r.] 1

α1 α3

-1 0

Duty cycle Duty cycle

α2

(b) (a)

Duty cycle α2

1

vAO [u.r.] 1

α1

α3

-1 0

(c)


3L-ANPC: Stratégie MLI 1

α2

1 Duty cycle

vAO [u.r.]

α1 α3

-1 1 0 (b)

3939

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

(a)


S1

S1c

S2

S2c

S3

S3c

VAO

0

Sr*

0 Tsw/2 Tsw

E/2 0

(a)

carrier H

O+

E/2

P

O+

S1

S1c

S2

S2c

S3

0

V*

0 Tsw/2 Tsw

E/2 0

(b)

S3c

O- O-

-E/2

VAO

N

carrier L


10*iload

uAOE/2

-E/2

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

4040

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

MLI 1: combinaisons possibles

Sr>0 Sr<0

uAO=E/2 uAO=0 uAO=0 uAO=-E/2

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L




S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

3L-ANPC: MLI 1

MLI 1: Implémentation PSIM

Simulated results for the 3L-ANPC PWM-1 (VDC/2=1500V, R=5Ω, L=10mH, M=0.8, fs=1000Hz)



Simulated distribution of losses in 3L-ANPC PWM-1 converter featuring Eupec IGBTs (VDC= 3000V, Irms=200A, fs=1000Hz, Eupec FF200R33KF2C): (a) PF=-1, M=0.05, (b) PF=1, M=0.95

4242

( )( ) ( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ θ⋅⋅+θ⋅+⋅

π⋅=⋅⋅θ−⋅⋅

π= ∫

π

θ

2cos31cos

341

2MIdxxfxsinI2

21I 1T

21conTrms



S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

( ) ( ) ( )[ ]θ+θ⋅θ−π⋅π⋅⋅⋅

=⋅⋅θ−⋅⋅π

= ∫π

θ

sincos4

M2IdxxfxsinI221I 1T

1conTavg

( ) ( )( )θ+π

=θ−π

= ∫π

θ

cos12

2IdxxsinI221I 1swT

avg

( )( ) ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ θ

+θ−π⋅π

=⋅θ−π

= ∫π

θ22sin

21IdxxsinI2

21I

21swTrms

T1

( ) [ ]π∈⋅= 0, x,xsinMxfT1

3L-ANPC: MLI 1


3L-ANPC: Stratégie MLI 2

4343

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

α1=α3

1

vAO [u.r.] 1

α2

-1 0

Duty cycle

α2



Sr>0Sr<0

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

E/2

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

E/2


Sr>0 Sr<0

4444

MLI 2: Combinaisons possibles

S1

S1c

S2

S2c

S3

S3c

VAO

0

Sr

0 Ts

E/2 0

(a)

Sd1

O+

E/2

P

O+

S1

S1c

S2

S2c

S3

0

Sr

0 Ts

E/2 0

(b)

S3c

O-O-

-E/2

VAO

N

Sd2


S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

E/2

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

E/2


S1

S3c

S2

S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

S1

S3c

S2

S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

10*iload

uAOE/2

-E/2

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

E/2

uAO=E/2 uAO=0

4545

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

E/2

S1

S3c

S2

S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

S1

S3c

S2

S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

uAO=-E/2uAO=0



S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

3L-ANPC: MLI 2


Simulated results for the 3L-ANPC PWM-2(VDC/2=1500V, R=5Ω, L=10mH, M=0.8, fs=1000Hz)




4747

( )( ) ( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ θ⋅⋅+θ⋅+⋅

π⋅=⋅⋅θ−⋅⋅

π= ∫

π

θ

2cos31cos

341

2MIdxxfxsinI2

21I 1T

21conTrms



S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

( ) ( ) ( )[ ]θ+θ⋅θ−π⋅π⋅⋅⋅

=⋅⋅θ−⋅⋅π

= ∫π

θ

sincos4

M2IdxxfxsinI221I 1T

1conTavg

( ) ( )( )θ+π

=θ−π

= ∫π

θ

cos12

2IdxxsinI221I 1swT

avg

( )( ) ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ θ

+θ−π⋅π

=⋅θ−π

= ∫π

θ22sin

21IdxxsinI2

21I

21swTrms

( ) [ ]π∈⋅= 0, x,xsinMxfT1

3L-ANPC: MLI 2

T1


3L-ANPC: Stratégie MLI 3 (Prof. D. FLORICAU, 2008)

4848

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

Properties:V ripple = E/2F ripple = 2FdV max IGBT = E/2

Properties:V ripple = E/2F ripple = 2FdV max IGBT = E/2

Sr>0Sr<0

Duty cycle α2

1

vAO [u.r.] 1

α1

α3

-1 0

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A iload

R

L

E/2

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L


Sr>0 Sr<0

4949



S1

S1c

S2

S2c

0

Sr

0 Ts

E/2 0

(a)

Sd2 Sd1

O2+O1

+ O1+

E/2

-E/2

vAO

P P

S3

S3c

Sd2 Sd1

E/2

0

0 Ts

E/2 0

(b)

O1-

N N

O2- O1

-

-E/2

S1

S1c

S2

S2c

Sr

vAO

S3

S3c

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A iload

R

L

E/2

S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L


10*iload

uAOE/2

-E/2

5050

MLI 3: Spectre de la tension de sortie


Fs=50Hz

Fd=1kHz

Fs=50Hz

2Fd=1000Hz

Spectre de la tension de sortie 3N-ANPC PWM 3:

Fd=500Hz


S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

3L-ANPC: MLI 3


Simulated results for the 3L-ANPC PWM-3 (VDC/2=1500V, R=5Ω, L=10mH, M=0.8, fs=500Hz)




5252

( )( ) ( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ θ⋅⋅+θ⋅+⋅

π⋅=⋅⋅θ−⋅⋅

π= ∫

π

θ

2cos31cos

341

2MIdxxfxsinI2

21I 1T

21conTrms



S1

S3c

S2 S1c

S3

S2c

+ -

+ -

E

A O iload

R

L

( ) ( ) ( )[ ]θ+θ⋅θ−π⋅π⋅⋅⋅

=⋅⋅θ−⋅⋅π

= ∫π

θ

sincos4

M2IdxxfxsinI221I 1T

1conTavg

( ) ( )( )θ+π

=θ−π

= ∫π

θ

cos12

2IdxxsinI221I 1swT

avg

( )( ) ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ θ

+θ−π⋅π

=⋅θ−π

= ∫π

θ22sin

21IdxxsinI2

21I

21swTrms

( ) [ ]π∈⋅= 0, x,xsinMxfT1

3L-ANPC: MLI 3

T1


Séquences de commutation pour 3L-ANPC

5353


(vA0)


-VDC/2 N 0 0 0 1 0 1

O- 0 0 0 1 1 0 0 O+ 0 1 1 0 0 0

VDC/2 P 1 0 1 0 0 0


(vA0)


-VDC/2 N 0 0 0 1 0 1

O- 0 0 0 1 1 0 0 O+ 0 1 1 0 0 0

VDC/2 P 1 0 1 0 0 0


(vA0)


-VDC/2 N 0 1 0 1 0 1

O1- 0 0 0 1 1 0

O2- 0 1 1 0 0 1

O1+ 0 1 1 0 0 0

0

O2+ 1 0 0 1 1 0

VDC/2 P 1 0 1 0 1 0

MLI 1 MLI 2

MLI 3

Fin Chapitre 4

The three PWM strategies differ by the type and by the number of zero switching states.

The zero switching states can be used to distribute losses more evenly among the semiconductors. The intention is not to save total converter losses, but to distribute them equally.

The commutations to or from the zero states determine the distribution of the switching losses.

All commutations take place between one active switch and one diode. Even if more than two devices turn on or off, only one active switch and one diode experience essential switching losses.

The distribution of conduction losses during the zero states can be controlled by the selection of the upper or lower ANPC path.

The conduction losses in the states P and N cannot be influenced.


5L-SMC Commutation Cell (Gateau, 2001)

VDC

iload

A O

+ -

+ -

+ -

VDC

iload

3L-FC(1991)

3L-SC(1980)

iload

A O

+ -

+ -

VDC

+ ⇒

5L-Stacked Multilevel Converter(Gateau, 2001)


5L-ANPC Commutation Cell (Barbosa, 2005)5L-ANPC Commutation Cell (Barbosa, 2005)

+ -

VDC

iload

+ -

+ -

VDC

iload

A O

+ ⇒

ANPC-3L(2001)

FC-3L(1992)

5L-Barbosa Topology (2005) (5L-ANPC)

+ -

+ -

iload

A O

VDC

Fig. 13

Fig. 14

Fig. 15


PWM Strategy for 5L-ANPCPWM Strategy for 5L-ANPC

+ -

+ -

iload

A

O

VDC

S1

S1c

S2

S2c

S3

S3c

S4

S4c

R

L

S1

S1c

S2

S2c

V*

0 Tsw/2 Tsw

VDC/4 0

(a)

carrier 1 carrier 2

P1 P1

VDC/2

0

VAO

S3, 4

S3c, 4c

P1

O+ O+VDC/4

S1

carrier 1 carrier 2

S2

S2c

S3, 4

VDC/2

0

V*

0 Tsw/2 Tsw

VDC/4

0(b)

S3c, 4c

VDC/4

VAO

S1c

VDC/4

P2P2

P1P1 P1

Higher levels: 0, +VDC/4, +VDC/2Higher levels: 0, +VDC/4, +VDC/2

Fig. 16

Fig. 17


PWM Strategy for 5L-ANPCPWM Strategy for 5L-ANPC

+ -

+ -

iload

A

O

VDC

S1

S1c

S2

S2c

S3

S3c

S4

S4c

R

L

S1

carrier 3 carrier 4

S2

S2c

S3, 4

-VDC/2

0

V*

0 Tsw/2 Tsw

VDC/4 0

(c)

S3c, 4c

-VDC/4

VAO

S1c

-VDC/4

O- O-N1N1 N1

S1

S1c

S2

S2c

V*

0 Tsw/2 Tsw

VDC/4

0

(d)

carrier 3 carrier 4

N1 N1

-VDC/2

0

VAO

S3, 4

S3c, 4c

N1

N2

-VDC/4 N2

-VDC/4 Lower levels: 0, -VDC/4, -VDC/2Lower levels: 0, -VDC/4, -VDC/2

Fig. 18


+ -

+ -

iload

A

O

VDC

S1

S1c

S2

S2c

S3

S3c

S4

S4c

R

L

Simulation results for 5L-ANPCSimulation results for 5L-ANPC

VDC=800V, Fs=500Hz, R=1Ω, L=1mH, M=0.9VDC=800V, Fs=500Hz, R=1Ω, L=1mH, M=0.9


3L-SNPC Commutation Cell (Floricau, 2007)

• It is made of 6 switches (3 commutation cells: S1-S1c , S2-S2c and S3-S3c) disposed on three sides and two clamp diodes (Du, Dd) ;

• Each switch is capable to support a voltage equal to VDC/2.

iload

+ -

+ -

VDC

A O

S1

S1c S3

S3c S2c

S2 Du

Dd

α2 1

vAO [u.r.] 1

α10.5

α3

-1 0

Duty cycle

(a) PWM1 (b) PWM2

α2

1 Duty cycle

1

α1

α3

vAO [u.r.] -1 0

The commutation cells are controlled with duty cycles α1, α2 and α3:


Sinusoidal PWM-1 Strategy for 3L-SNPC

S1

S1c

S2

S2c

S3 S3c

VAO

0

V*

0 Tsw/2 Tsw

VDC/20

(a)

carrier H

O+

VDC/2

P

O+

S1

S1c

S2

S2c

S3

0

V*

0 Tsw/2 Tsw

VDC/2 0

(b)

S3c

O-O-

-VDC/2

VAO

N

carrier L

Voltage levels: -VDC/2; 0Voltage levels: 0; VDC/2

N state

iload>0

+ -

+ -

VDC

A

O

iload<0

+ -

+ -

VDC

A O

S1

S1c S3

S3c S2c

S2 Du

Dd

S1

S1c S3

S3c S2c

S2 Du

Dd

O- state

iload<0

iload>0

+ -

+ -

VDC

A O

S1

S1c S3

S3c S2c

S2 Du

Dd

P state

iload>0 iload<0

iload>0

+ -

+ -

A O

S1

S1c S3

S3c S2c

S2 Du

Dd

O+ state

iload<0 VDC

(a)

(b)


Sinusoidal PWM-2 Strategy for 3L-SNPC

S1

S1c

S2

S2c

0

V*

0 Tsw/2 Tsw

VDC/2 0

(a)

carrier 1 carrier 2

O2+

O1+ O1

+

VDC/2

-VDC/2

VAO

P P

S3

S3c

O1- state

iload>0 + -

+ -

VDC

A

O

iload<0

+ -

+ -

VDC

A

O

S1

S1c S3

S3c S2c

S2 Du

Dd

S1

S1c S3

S3c S2c

S2 Du

Dd

O2- state

iload<0

iload>0

+ -

+ -

VDC

A O

S1

S1c S3

S3c S2c

S2 Du

Dd

O2+ state

iload>0

iload<0

iload>0

+ -

+ -

A O

S1

S1c S3

S3c S2c

S2 Du

Dd

O1+ state

iload<0 VDC

(a)

(b)

Voltage levels: 0; VDC/2

S1

carrier 1 carrier 2

S2

S2c

S3

VDC/2

0

V*

0 Tsw/2 Tsw

VDC/2 0

(b)

S3c

O1-

N N

O2-O1

-

-VDC/2

VAO

S1c

Voltage levels: -VDC/2; 0


Experimental results for 3L-SNPC converter

3L-SNPC Structure

FPGA Card

RL LoadR=16.7ΩL=6mH

iload

+ -

+ -

VDC

A O

S1

S1c S3

S3c S2c

S2 Du

Dd R

L

100V/div, 5A/div, 4ms/div

3L-SNPC


Merci pour votre attention


F I N

cours multiniveaux

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