Betriebsverhalten des Z-Source-Wechselrichters

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1 Betriebsverhalten des Z-Sorce-Wechselrichters Wlf-Toke Franke *, Malte Mohr +, Friedrich W. Fchs # * hristian Albrecht niversität z Kiel, Kaiserstr., 443 Kiel, + hristian Albrecht niversität z Kiel, Kaiserstr., 443 Kiel, # hristian Albrecht niversität z Kiel, Kaiserstr., 443 Kiel, Eleitng Der Z-Sorce-Wechselrichter ist ee nee mrichtertopologie [], die es erlabt das Verhältnis der Egangsgleichspannng zr Asgangswechselspannng über weite Bereiche z variieren. Als mögliche Esatzgebiete bieten sich Wdkraftanlagen mit permanent erregten Synchronmaschen oder Brennstoffzellen an, da hier die Egangsspannng über weite Bereiche variiert. In dieser Veröffentlichng wird die Fnktionsweise erlätert nd ee Analyse der Schaltng vorgestellt. Aßerdem werden die begrenzenden Faktoren für den Betriebsbereichs sowie die Aswirkng des WM-Verfahren af die Schaltverlste nterscht.. Fnktionsweise Das Ersatzschaltbild des Z-Sorce-Wechselrichters ist Abbildng dargestellt. Es nterscheidet sich vom herkömmlichen -mrichter im Afba des Zwischenkreises, der as zwei Kapazitäten nd zwei Indktivitäten so wie eer Diode besteht, die wie Abbildng angeordnet sd []. Im Betrieb müssen zwei Fälle nterschieden werden: Im ersten Fall ist die Egangsspannng größer als das -fache des Effektivwertes der Asgangsspannng nd der Z- Sorce-Wechselrichter kann wie e -mrichter betrieben werden. Dabei fließt e nahez konstanter Strom drch die Indktivitäten, sodass sie af die Fnktionsweise keen Eflss haben. Die beiden Kapazitäten befden sich dann Abbildng : Ersatzschaltbild des Z-Sorce-Wechselrichter nd das Ersatzschaltbild der aktiven Elemente während ees Shoot-Throgh-Zstands

2 eer arallelschaltng nd es ergibt sich das Ersatzschaltbild ees - mrichters. Im zweiten Fall ist die Egangsspannng eschließlich ees Sicherheitsfaktors kleer als das -fache des Effektivwertes der Asgangsspannng. Jetzt übernimmt der mrichter zsätzlich die Fnktion ees Hochsetzstellers. Dafür wird e weiterer Zstand, der sog. Shoot-Throgh-Zstand egeführt. Wie bei eem Nllzstand wird ach bei dem Shoot-Throgh-Zstand das Netz krzgeschlossen. Zsätzlich wird jedoch ach der Zwischenkreis krzgeschlossen, dem alle sechs Ventile des ls-mrichters gleichzeitig geschlossen werden. Für den Shoot-Throgh-Zstand gilt das rechte Ersatzschaltbild as Abbildng. Es ist z erkennen, dass sich zwei Maschen bilden, die jeweils as eer Kapazität nd eer Indktivität bestehen. Die Kapazitäten entladen sich über den Indktivitäten, die den Strom begrenzen nd die elektrische Energie speichern. Gleichzeitig sd die beiden Kapazitäten während des Shoot- Throgh-Zstandes Serie geschaltet, so dass die Smme der beiden Spannngen über den Kondensatoren mdestens doppelt so groß wie die Egangsspannng ist. Dadrch sperrt die Diode D7. Wird nach dem Shoot-Throgh-Zstand wieder e aktiver oder e Nllzstand geschaltet, so liegt über den Ventilen des ls-mrichters die Smme der Spannngen der Egangsspannngsqelle nd der beiden Indktivitäten an. 3. Analyse der Schaltng Für ee analytische Betrachtng wird angenommen, dass der Zwischenkreis symmetrisch mit idealen Bateilen afgebat ist []. Es gilt für die Spannngen über den Kondensatoren nd Indktivitäten: (3.) Wird e Shoot-Throgh-Zstand für die Daer des Dty-ycles D geschaltet, so gelten folgende Maschengleichngen 0 (3.) D7 Während eer der aktiven oder Nllzstände für die Daer -D geschaltet ist, ergebenen sich folgende Gleichngen (vgl. []): (3.3) Im stationären Betrieb ist die Spannng über der Indktivität im Mittel nll, so dass der Mittelwert der Spannng über den Kapazitäten nd über dem ls- mrichter berechnet werden kann: D + ( D)( ) D D 0 (3.4) Die Spannng, die während der aktiven nd Nllzstände am ls-mrichter anliegt ist größer als deren Mittelwert, da der zeitliche Spannngsverlaf

3 rechteckförmig nd während der Shoot-Throgh-Zstände Nll ist. Die für die WM zr Verfügng stehende Spannng über den Ventilen errechnet sich nach Gleichng (3.5) nd der Effektivwert der Asgangsspannng ~ Abhängigkeit des Modlationsgrades M nach (3.6): ˆ + D (3.5) M ~ D (3.6) In der iteratr [], [3] werden nterschiedliche Methoden zr Bestimmng der Shoot-Throgh-Dty-ycle D vorgestellt. Die wichtigsten sd die Methode der maximalen Verstärkng [] nd die der konstanten maximalen Verstärkng [3]. 6 Bei der konstanten maximalen Verstärkng ist der Zwischenkreis vom Netz entkoppelt nd es gilt: D k 3M (3.7) Wird (3.7) (3.6) egesetzt, so ergibt sich der Spannngsgewn ~ /. ~ M ( 3M ) (3.8) In Abbildng ist der Verlaf des Spannngsgewns Abhängigkeit des Modlationsgrades afgetragen. 4. Betriebsbereich M Begrenzend für den Betriebsbereich des Z-Sorce-Wechselrichters sd die maximalen Sperrspannngen der eistngshalbleiter sowie die Eignng des Afbas die Verlstleistng abzführen, da für die Shoot-Throgh-Zstände bei großen Spannngen über den Ventilen der doppelte Krzschlssstrom des Zwischenkreises geschaltet werden mss. Damit ergeben sich sehr hohe Schaltverlste, die weit über denen von herkömmlichen mrichtern liegen. Ee detailierte Berechnng wird weiteren Veröffentlichngen präsentiert werden. Die Sperrspannng der Ventile ist abhängig von dem Verhältnis der Egangsspannng zr Asgangsspannng nd damit von der Daer der Shoot-Throgh- Zstände. Denn m een großen Spannngsgewn z erzielen, müssen die Shoot-Throgh-Zstände een möglichst großen Anteil an der eriodendaer haben, m anschließend een großen Spannngsabfall über den Indktivitäten z erhalten. Da der Shoot-Throgh-Zstand jedoch nr anstelle ees Nllz- / Abbildng : Spannngsgewn Abhängigkeit vom Modlationsgrad M

4 standes geschaltet werden sollte, m ee Verzerrng des Asgangsstromes z vermeiden, müssen die Nllzstände entsprechend lang gewählt werden. Das heißt, dass e kleer Modlationsgrad verwendet werden mss, der zr Folge hat, dass der ls-mrichter wie beim -mrichter ee tiefsetzstellende Wirkng hat. Dadrch kommt es ach ohne Berücksichtigng von Kommtierngsüberspannng z detlich größeren Sperrspannngen an den eistngshalbleitern. Sie konnte wie folgt bestimmt werden: 5. WM-Verfahren nd Schaltverlste ˆ (4.) Wie bei I- nd -mrichtern kann ach der Z-Sorce-Wechselrichter sowohl mit eer kontierlichen als ach mit eer diskontierlichen WM betrieben werden [4]. Die Schaltverlste können mit dem learisierten Verlstleistngsmodell nach [5] bestimmt werden. Die Berechnng basiert af den im Datenblatt der eistngshalbleiter angegeben E- nd Asschaltenergien E on, E off nd E rec beim defierten Strom i nd bei der defierten Spannng. Beim Schalten des ls-mrichters müssen zwei Schaltvorgänge nterschieden werden. Zm eem das Schalten zwischen aktiven nd Nllzständen, bei dem der mittlere Netzstrom eer halben Netzperiode in / π iˆ N zr Berechnng verwendet wird. Zm anderen tritt der Schaltvorgang zwischen eem aktiven oder Nllzstand nd eem Shoot-Throgh-Zstand af, bei dem sich der doppelte Zwischenkreisstrom / af alle drei Brückenzweige verteilt. Damit ergeben sich für die Schaltverlste des ls-mrichters bei eer Schaltfreqenz f s die folgenden Schaltverlste für IGBT nd Freilafdiode: IGBT S, ZSI, kon Diode S, ZSI, kon f S f π ( E + E ) S on E rec ˆ off ˆ π iˆ i B6 iˆ i ˆ + 3 i (5.) Neben den Schaltverlsten des ls-mrichters treten ach Verlste der Zwischenkreisdiode af. Beim Asschalten der Diode liegt die Spannng - an nd es fließt gter Näherng der mittlere Egangsstrom. Ee mathematische Beschreibng des Stromes drch die Diode wird Kürze präsentiert. Es gilt damit für die Schaltverlste der Zwischenkreisdiode: f E Diode S, ZSI, kon S off, (5.) i Für die diskontierliche WM halbieren sich die Verlste beim Schalten zwischen aktiven nd Nllzeigern gemäß [6][7][8] für een hasenwkel ϕ, π 6 da zm een e Schaltvorgang weniger pro eriode aftritt nd zm anderen

5 das Ventil mit der größten Stromamplitde nicht schaltet. Gleichzeitig wird nr noch e Nllzstand nd damit ach nr e Shoot-Throgh-Zstand pro eriode geschaltet, sodass die daras resltieren Schaltverlste ebenfalls halbiert werden. Für die diskontierlichen Schaltverlste gilt daher: (5.3) x x S, disk S, kon Da die gesamte Daer der Nll- bzw. Shoot-Throgh-Zstände bei der kontierlichen nd diskontierlichen WM gleich se mss, m das gleiche Klemmenverhalten z gewährleisten, ist die Daer ees Shoot-Throgh- Zstandes bei der diskontierlichen WM doppelt so lang wie bei der kontierlichen WM. Dies wirkt sich af den Zwischenkreis mit eer doppelt so großen Stromwelligkeit as, wodrch die passiven Elemente stärker belastet werden. Insbesondere die Eisenverlste der Indktivitäten steigen stark an, so dass hier hochwertigere Kernmaterialien, wie Ferrite, verwendet werden müssen. 6. Messergebnisse nd Afba Alle Messngen wrden an dem 0kW-Afba as Abbildng 3 asgeführt. Es wrden die arameter as Tabelle verwendet. mh,mf Filter 3mH R ast 5Ω T tot 3µs F s 3000Hz Tabelle : arameter des Afbas Abbildng 3: Afba des Z-Sorce-Wechselrichters. ks der eistngsteil Treibern, rechts Ansteerng über DSpace nd FGA nd Zwischenkreisdktivität Abbildng 4 zeigt den Verlaf der Spannng über eer Zwischenkreiskapazität nd der Sternspannng am Asgang. Die der Bildnterschrift afgeführten Werte bestätigen die Fnktionsweise des Z-Sorce-Wechselrichters. Abbildng 5 zeigt den Verlaf eiger charakteristischer Größen bei 0,8 kw eistng. Der obere Zeitverlaf stellt die Spannng über dem ls-mrichter dar. Es ist z erkennen, dass die Spannng während der aktiven nd Nllzstände 800 V beträgt nd während der Shoot-Throgh-Zstände nll ist. Die Kondensatorspannng liegt konstant bei 500 V. Darnter ist der Strom ees Ventils dargestellt.

6 Es sd die Shoot-Throgh-Ströme sowie ee Welligkeit mit der sechsfachen Netzfreqenz z erkennen. Es fließt ke Netzstrom. Der nterste Zeitverlaf beschreibt den Strom drch die Indktivität. Hier ist der Rippel, der drch die Shoot-Throgh-Zstände verrsacht wird, gt z erkennen. Abbildng 4: Spannng nd bei 30,7 V, M0,7 ergibt sich für 87 V nd û00 V Abbildng 5: von oben: Spannng,, Strom iv4 nd i bei 60 V, M0,76, 0,6 kw 7. Zsammenfassng Es wrde die Fnktionsweise des Z-Sorce-Wechselrichters beschrieben nd analysiert. Die begrenzenden Faktoren für den Betriebsbereich wrden afgezeigt nd es wrde der Zsammenhang zwischen den Schaltverlsten nd dem WM-Verfahren afgezeigt. Die Fnktionsweise wrde drch eige Messergebnisse bestätigt. 8. iteratrverzeichnis [] [] [3] [4] [5] [6] [7] [8] F. Z. eng (003) Z-Sorce Inverter, IEEE Trans. on Indstry Applications, Vol. 39, No., pp F. Z. eng, M. Shen, Z.Qian (005) Maximm Boost ontrol of the Z-Sorce Inverter IEEE Trans. on Indstry Applications, Vol. 0, No. 4, pp M. Shen, J. Wang, A. Joseph, F. Z. eng (006) onstant Boost ontrol of the Z-Sorce Inverter to Mimize rrent Ripple and Voltage Stress} IEEE Trans. on Indstry Applications, Vol. 4, No. 3 Felix Jenni, Dieter Wüest (995) Steerverfahren für selbstgeführte Stromrichter, vdf, Hochschlverl. an der ETH Zürich, Zürich. Nicolai, T. Reiman, J. etzoldt, J. tz (998) Applikationshandbch IGBT- nd MOSFET- eistngsmodle, ISE, Ilmena Trzynadlowski, A. M., egowski, S. (994) "Mimm-loss vector WM strategy for three-phase verters", IEEE Trans. on ower Electr., vol. 9, no., pp Hava, A. M., Kerkman, R. J., ipo, T. A.(998) "A high-performance generalized discontos WM algorithm", IEEE Trans. on Ind. App, pp Bierhoff, M. H., Fchs, F. W. (004) "Semicondctor losses voltage sorce and crrent sorce IGBT converters based on analytical derivation", ower Electr. Spec. onf., vol. 4, Aachen, roceedgs on D

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