University thesis:
Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2022
Footnote:
Description:
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.