Optimierter Multilevel-GaN-Umrichter für Niederspannungsindustrieanwendungen

Das große Bauvolumen aktueller industrieller dreiphasiger Zweilevel-Netzumrichter und die damit verbundene geringe Leistungsdichte wird hauptsächlich durch den notwendigen EMV-Filter hervorgerufen. Aktuelle Veröffentlichungen zur Flying-Capacitor-Multilevel-Topologie zeigen das enorme Potential dieser Topologie im Hinblick auf kompakte EMV-Filter und eine damit verbundene hohe Leistungsdichte des gesamten Umrichters. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, wie der Flying-Capacitor-Multilevel-Umrichter in Kombination mit GaN-Schaltern für Niederspannungsindustrie-anwendungen aussehen kann. Auf Basis der benötigten Komponenten eines solchen Umrichters wird zunächst eine Monte-Carlo Optimierung angefertigt. Die Ergebnisse dieser Optimierung zeigen einen Bereich für die elektrischen Parameter auf, in welchem eine größtmögliche Leistungsdichte und Effizienz für diesen Umrichter erzielt werden kann. Beruhend auf den Ergebnissen werden unterschiedlichste Hardwareprototypen, startend von der einzelnen Kommutierungszelle bis hin zum dreiphasigen Umrichter, vorgestellt. Untersuchungen an diesen Prototypen zeigen, dass es für die hohen resultierenden Schaltfrequenzen des dargestellten Umrichters noch einige unerforschte Effekte gibt. Diese beruhen zum Teil auf kleinsten parasitären Komponenten der Leiterplatte, oder der verwendeten Bauteile und können die Ausgangskennlinien des Umrichters stark beeinträchtigen. Mittels einer Simulation des Umrichters am Netz wird zudem validiert, dass ein solcher Umrichter mit einem dynamischen geschlossenen Regelkreis, wie er in Zweilevel-Umrichtern eingesetzt wird, betrieben werden kann. Überdies werden die typischen Betriebsbedingungen eines industriellen Umrichters theoretisch betrachtet, simuliert und validiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Topologie des Flying-Capacitor-Multilevel-Umrichters in Kombination mit GaN-Schaltern zu einer Verbesserung der Leistungsdichte, der Verluste und der Dynamik jeweils um Faktoren führen kann.

The volume of industrial three-phase two level grid connected inverters suffers from large EMI filters which harm the overall power density. Recent publications based on the flying capacitor multilevel topology show the tremendous potential of this topology for compact EMI filters and a high resulting power density of the whole inverter. The results of this work show how such a flying capacitor multilevel inverter could look like for an industrial low voltage application. In the first section of this work the required components and a monte carlo optimization of such an inverter are presented. The outcome of this optimization shows a feasible area of electrical parameters which lead to the highest possible power density and inverter efficiency. Based on these results different hardware prototypes starting from a commutation cell up to a three phase inverter where designed. Investigations at these prototypes show that there are still several unexplored effects for the high resulting switching frequency of these prototypes. These effects are often based on smallest parasitics of the printed circuit board or attached electrical components. These small parasitics can have a huge impact on the output waveform of the inverter. It is also validated by a simulation that it is possible to operate such a grid connected inverter with a dynamic closed loop control used conventional in two level inverters. In addition, the typical operation conditions of an industrial inverter are theoretical investigated, simulated and validated. The results of this work show that the flying capacitor topology in combination with GaN switches could lead to an enhanced power density, reduced losses, and increased dynamic by factors.