The essence of three-phase AC/AC converter systems

• Autorzy: Kolar J. , Friedli T. , Krismer F. , Round S.

Warianty tytułu

PL

Istota trójfazowych systemów przekształtników AC/AC

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper the well-known voltage and current DS-link converter systems, used to implement an AC/AC converter, are initially presented. Using this knowledge and their space vector modulation methods we show their connection to the family of Indirect Matrix Converters and then finally the connection to direct Matrix Converters. Abrief discussion of extended Matrix Converter circuits is given and a new unidirectional three-level Matrix Converter topology is proposed. This clearly shows the topological connections of the converter circuits that directly lead to an adaptability of the modulation methods. These allow the reader who is familiar with space vector modulation of voltage and current DS-link converters to simply incorporate and identify new modulation methods. A comparison of the converter concepts, with respect to their fundamental, topology-related characteristics, complexity, control and efficiency, then follows. Furthermore, by taking the example of a converter that covers a typical operation region in the torque-speed plane (incl. holding torque at standstill), the necessary silicon area of the power semiconductors is calculated for a maximum junction temperature. This paper concludes with proposal for subjects of further research in the area of Matrix Converters.

PL

W artykule na początku przedstawiono dobrze znane systemy przekształtników z obwodem pośredniczącym prądu i napięcia stałego, wykorzystywane do budowy przekształtników typu AC/AC oraz metody modulacji bazujące na wektorze przestrzennym. Następnie pokazano ich związki z rodzina pośrednich przekształtników macierzowych oraz bezpośrednich przekształtników macierzowych. Krótko omówiono rozszerzone obwody przekształtników macierzowych oraz zaprezentowano nową topologie jednokierunkowego trójpoziomowego przekształtnika macierzowego. W ten sposób wykazano topologiczne związki pomiędzy przekształtnikami, co prowadzi do adaptacyjnej metody modulacji. To umożliwia czytelnikowi, znającemu metodę modulacji wektora przestrzennego dla przekształtników z obwodem pośredniczącym prądu lub napięcia stałego, proste zapoznanie się z prezentowaną nową metoda modulacji. W pracy następnie przeprowadzono porównanie koncepcji przekształtników, z uwzględnieniem zasady działania, charakterystyk wynikających z topologii, złożoności i sprawności, stosowanych układów sterowania. Poza tym, na przykładzie przekształtnika stosowanego w typowych układach napędowych z regulowaną prędkością (obejmujące także wytwarzanie momentu hamującego dla prędkości równej zero), została obliczona niezbędna powierzchnia krzemu w przyrządach półprzewodnikowych, dla przyjętej maksymalnej dopuszczalnej temperatury złącza. W konkluzji artykułu przedstawiono propozycję dalszych badań w dziedzinie przekształtników macierzowych.

Słowa kluczowe

EN

AC/AC converter; matrix converter; voltage source converter (VSC); current source converter

PL

przekształtniki AC/AC; przekształtniki macierzowe; obwód pośredniczący prądu; przekształtniki

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2008
• Tom: R. 84, nr 9
• Strony: 14--29
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kolar J.

autor

Friedli T.

autor

Krismer F.

autor

Round S.

• Power Electronic Systems Laboratory, ETH Zurich,

Bibliografia

• [1] K.Shingo, K.Kaoru, T.Katsu, Y.Hata: ”Development of Electric Motors for the TOYOTA Hybrid Vehicle “PRIUS””, EVS-17, Dec.2000
• [2] W.Yu, J.Lai, “Ultra High Efficiency Bidirectional DC-DC Converter With Multi-Frequency Pulse Width Modulation”, APEC08, pp.1079-1084, 2008
• [3] A. Kawamura, Y.Tsuruta, S. Inasaka, “ Proposal of electrical mileage for electric vehicle and discussions”, IEEJ, VT-07-13, December 2007
• [4] Y. Ito, Y. Tsuruta, M. Bando, and A. Kawamura, “50kHz-25kW Bilateral Chopper Circuit SAZZ-1 for HEV”, EVS-22, Oct.23-28，pp.848-857, 2006
• [5] H. Ohasi, “Recent Power Devices Trend (in Japanese)”, Trans. of IEEJ, vol. 12, no.3, 2002, pp. 168-171.
• [6] H. Ohashi, “Power Electronics Inovation with Next Generation Advanced Power Devices”, Proceeding of INTELEC'03, Oct. 2003, Yokohama (Japan), pp.9-13
• [7] J.W. Kolar, U. Drofenik, J. Biela, M.L. Heldwein, H. Ertl, T. Friedli, S.D. Round, “PWM Converter Power Density Barriers” Proceedings of Power Conversion Conference, PCC 2007, pp. 9 – 29, 2-5 April 2007
• [8] T. Teratani,”Vehicle Energy Management and Higher Voltage 42V for New Generation", 2nd International Congress on 42V Power Net(2000)
• [9] M.Okamura, E.Sato, S.Sasaki: ”Development of Hybrid Electric Drive System Using a Boost Converter”, EVS-20, Nov.2003
• [10] A.Kawamura, “Future commuter vehicles”, KAST seminar on next generation mobility systems, 2007 November
• [11] S. Cuk and R.D. Middlebrook : “Advances on Switched-Mode Power Conversion Part I”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol.IE-30, No.1, pp.10-19 (1983)
• [12] Richard G. Hoft : “Semiconductors Power Electronics”, Van Nostrand Reinhold Company Inc. New York (1986) (in Japanese)
• [13] IEEJ : “Recent development on soft switching”, IEEJ Technical Report, No.899, pp. 4-8 (2002-9)(in Japanese)
• [14] A. Kawamura : “Modern Power Electronics”, SUURIKOUGAKU-SHA Co. Ltd., the First Edition, Tokyo, pp.39 (2005) (in Japanese)
• [15] G. Hua, C.S. Leu, and F.C. Lee : “Novel zero-voltage-transition PWM converters”, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.9, NO.2, pp.213-219 (1994)
• [16] M.Nakamura, T.Myoui, M.Ishitobi,M.Nakaoka:"A Soft-Switching PWM Boost Chopper Comtrolled DC-DC Converter with A Single Passive Auxiliary Resonant Snubber and Its Performance Evaluations.",T.IEE Japan,Vol.122-D,No.10, pp.1006-1016,(2002)
• [17] Q. Zhao and F.C.Lee: “High-Efficiency, High Step-Up DC-DC Converters”, IEEE Trans. Power Electronics, Vol.18, No.1, pp.65-73 (2003)
• [18] J.Zhang, R.-young Kim and J.-Sheng Lai: “High-Power Density Design of a Soft Switching High-Power Bidirectional DC-DC Converter”, Proc. of IEEE PESC06, WeA2-1, pp.2119-2125 (2006)
• [19] K. Maikawa, Y. Tsuruta, and A. Kawamura: “Soft Switching Chopper Circuit for high power application”, IEEJ/JIASC 2003, No.1-101, pp.477-478 (2003-8) (in Japanese)
• [20] Y. Tsuruta and A. Kawamura : “Proposed of 98.5% High Efficiency Chopper Circuit QRAS for the Electric Vehicle and the Verification”, T.IEE Japan, Vol.125-D, No.11, pp.977-987 (2005) (in Japanese)
• [21] Y. Tsuruta, Y. Ito, and A. Kawamura : “The prompt report regarding the efficiency measurement of 8kW QRAS chopper using SiC schottky diode", IEEJ/JIASC 2004, No.1-85, pp.439-442 (2004) (in Japanese)
• [22] Y. Tsuruta, Y. Ito, and A. Kawamura : “8kW QRAS Chopper Using SiC Schottky Diode”, The 2005 International Power Electronics Conference, IPEC-Niigata 2005, S30-3, pp.1113－1119 (2005)
• [23] Y. Tsuruta, Y. Ito, and A. Kawamura : “The proposal of SAZZ chopper circuit and test verification by means of the preceding fabrication”, 2005 National Convention Record, No.4-045, pp.71-72 (2005) (in Japanese)
• [24] Y. Tsuruta, Y. Ito, and A. Kawamura : “A High Frequency, High Efficiency and High Power Chopper SAZZ and the Test Evaluation at 100kHz-8kW”, IEEE 37th Annual Power Electronics Specialists Conference, PESC'06, WeA1-4, pp.1965-1971 (2006)
• [25] Y. Tsuruta, Y. Ito, M. Bando, and A. Kawamura : “Proposal of Bilateral Buck and Boost Chopper Circuit SAZZ-1 for EV Drive Application and the Test Evaluation at 25kW”, IEEE International Conference on Industrial Technology, ICIT-2006, IF005878, pp.1504-1509 (2006)
• [26] Y. Tsuruta and A. Kawamura : “Technical Stream on a High Efficiency and High Frequency Chopper Circuit”, IEEJ/JIASC 2006, No. 1-o-6-2, pp. I-139－I-144 (2006) (in Japanese)
• [27] Y. Tsuruta, M. Pavlovsky, and A. Kawamura : “Condition Limiting the Formation of the ZVZCT Switching in SAZZ Converter”, IEEE Industry Applications Conference 42st Annual Meeting, IAS 2007, IAS56p5, pp.1-6 (2007)
• [28] M. Chin Chang; M.A. Knights, “Interleaving technique in distributed power conversion systems”, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, Volume 42 Issue 5, pp. 245 -251
• [29] M. Gerber, J.A. Ferreira, I.W. Hofsajer, N. Seliger, “Interleaving optimization in synchronous rectified DC/DC converters”, Proceedings of Power Electronics Specialists Conference, PESC 2004, Achen – Germany, pp. 4655 – 4661, Jun 2004
• [30] O. Garcia, P. Alou, J.A. Oliver, J.A. Cobos, “ A high number of phases enables high frequency techniques and a better thermal management in medium power converters”, Proceedings of Conference on Integration of Power Electronics Systems, CIPS 2008, pp. 281 – 284, March 2008
• [31] G.R. Blackwell, The electronic packaging handbook, Boca Raton CRC Press 2000
• [32] J. Popovic, J.A. Ferreira, “Concepts for high packaging and integration efficiency”, Proceedings of Power Electronics Specialists Conference, PESC 2004, Volume 6, June 2004, pp. 4188 – 4194
• [33] J. Popovic, J.A. Ferreira, “Design and evaluation of highly integrated dc-dc converters for automotive applications”, Proceedings of Industry Applications Conference, IAS 2005, Volume 2, Oct. 2005, pp. 1152 – 1159
• [34] J.T. Strydom, J.D. van Wyk, “Electromagnetic modeling for design and loss estimation of resonant integrated spiral planar power passives (ISP/sup 3/)”, IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 19, Issue 3, May 2004, pp. 603 – 617
• [35] M. Pavlovsky, Y. Tsuruta, A. Kawamura, “Automotive DC-DC converter designed for high power-density and high efficiency“ Proceedings of Conference on Integration of Power Electronics Systems, CIPS 2008, pp. 191 – 195, March 2008
• [36] M. Pavlovsky, S.W.H. de Haan, J.A. Ferreira, “Concept of 50 kW DC/DC converter based on ZVS, quasi-ZCS topology and integrated thermal and electromagnetic design”, European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2005, Sept. 2005
• [37] M. Pavlovsky, “Electronic DC transformer with High Power Density”, PhD thesis Delft University of Technology, The Netherlands
• [38] J. Wanes, “A novel integrated packaging technique for high density DC-DC converters providing enhanced efficiency and thermal management”, Proceeding of Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2004, Volume 2, pp. 1229 – 1235
• [39] M. Gerber, J.A. Ferreira, I.W. Hofsajer, N. Seliger, “High density packaging of the passive components in an automotive DC/DC converter”, IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 20, Issue 2, Mar 2005, pp. 268 – 275
• [40] M. Pavlovsky, Y. Tsuruta, A. Kawamura, “Pursuing High Power-Density and High Efficiency in DC-DC Converters for Automotive Application“ Proceedings of Power Electronics Specialists Conference, PESC 2008, Jun 2008 Y. Tsuruta, M. Bando, Y. Ito and A. Kawamura, “A new circuit geometry SAZZ for an EV drive application”, Proceedings of IEEE Industry Applications Conference, IAS 2006, pp.1-6