SEMITOP 4 DOVE L EFFICIENZA E UN MUST!

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Fausta Sorrentino
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1 SEMITOP 4 DOVE L EFFICIENZA E UN MUST! Riccardo Ramin [email protected] Marco Di Lella [email protected] 1

2 SEMITOP 4 AUMENTA LA RICHIESTA DI ENERGIA La domanda di energia è prevista in crescita continua in tutti i settori Miliardi di kwh Fonte: Energy Information Administration/Annual Energy Outlook

3 SEMITOP 4 - DOVE L EFFICIENZA E UN MUST! Cosa significa efficienza nel settore dell elettronica di potenza? - Riduzione delle perdite Efficienza Tecnica dei dispositivi - Miglioramento delle forme d onda con riduzione della distorsione armonica - Aumento del rendimento delle applicazioni Economica - Riduzione del consumo energetico - Drastica riduzione dei costi 3

- Riduzione delle perdite Efficienza Tecnica dei dispositivi - Miglioramento delle forme d

4 Multilevel Inverter 3 livelli: per migliorare l efficienza Ramo di Multilevel Inverter SEMITOP 3 SK 30 MLI 066 SK 50 MLI 066 SEMITOP 4 SK 75 MLI 066 SK 100 MLI 066 SK 150 MLI 066 fino 150A! 4

5 Multilevel Inverter a 3 livelli - Vantaggi Vantaggi del Multilevel Inverter a 3 livelli: Elevata efficienza: I moduli funzionano con basse frequenze di commutazione con basse perdite di potenza e ridotti stress di tensione. Riduzione della distorsione armonica: Il contenuto armonico diminuisce con l aumentare del numero di livelli Filtri di uscita più piccoli: Grazie agli N livelli di tensione disponibili, la tensione di uscita è riprodotta in modo preciso 5

Riduzione della distorsione armonica: Il contenuto armonico diminuisce con l aumentare del numero di livelli Filtri

6 SEMITOP 4 IL MULTI LEVEL INVERTER Nuovo trend nelle applicazioni UPS: il Multi Level Inverter (MLI) P(+) C1 Diodi di clamp V PN O C2 Secondo bus di condensatori N(-) T1 (U) T2 (V) T3 (W) Load 6

7 SEMITOP 4 MLI: PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Nuovo trend nelle applicazioni UPS: il Multi Level Inverter (MLI) P(+) C1 V PN O C2 Tensione concatenata N(-) T1 (U) T2 (V) T3 (W) V DC V DC /2 0 t Load 7

8 Simulazione dell inverter a 3 livelli D1 IGBT 1 MP IGBT 4 D4 IGBT 7 IGBT 10 8

9 SEMITOP 4 MLI: ALGORITMI DI GENERAZIONE PWM Modulante Un riferimento sinusoidale a 50Hz per fase Portante (L-1) portanti triangolari a f sw >> 50Hz Per un inverter a 3 livelli (L=3) si avranno 2 portanti triangolari. 9

(L-1) portanti triangolari a f sw >> 50Hz Per un

10 SEMITOP 4 MLI: ALGORITMI DI GENERAZIONE PWM Tre algoritmi di generazione PWM: APOD: portanti in opposizione di fase alternativa. Le portanti in bande adiacenti sono sfasate di 180 POD: portanti in opposizione di fase. Le portanti sopra il punto zero di riferimento sono sfasate di 180 rispetto alle portanti sotto il punto di zero. PD: portanti in fase. Le portanti sono in fase in tutte le bande 10

Le portanti in bande adiacenti sono sfasate di 180 POD: portanti in opposizione di fase.

11 SEMITOP 4 MLI: ALGORITMI DI GENERAZIONE PWM PD: portanti in fase Produce la minore distorsione armonica per la tensione concatenata IGBT1 IGBT4 11

12 MLI - Dettagli della commutazione IGBT1 IGBT4 D1 IGBT1 IGBT4 D1 12

13 MLI - Risultati della simulazione Correnti di uscita Correnti D1/D ,7 41,4 33,2 24,9 16,6 8,3 0 Corrente IGBT , ,5 0-16, ,5 Corrente IGBT4 e V MP

16,6 8,3 0 Corrente IGBT1 66 49,5 33 16,5 0-16,5-33

14 SEMITOP 4 Perché il multilevel a 3 livelli? Confronto Inverter 2L 3L Tensione concatenata di uscita Perdite complessive Costo Complessità 14

15 SEMITOP 4 Confronto della tensione concatenata di uscita Inverter 2 livelli Inverter 3 livelli 15

16 SEMITOP 4 Confronto Perdite complessive SK 50 MLI 066 SK 60 GB 128 IGBT da 600V V ce,sat C E on +E off = 4,8 mj IGBT da 1200V V ce,sat = C E on +E off = 12,5 mj 16

=1,65 @150 C E on +E off = 4,8 mj IGBT da

17 SEMITOP 4 Calcolo delle perdite nell inverter a tre livelli (3L) IGBT1 Perdite di conduzione Perdite commutazione P 1 sw = π f sw E sw ( I pk ) IGBT4 D1 IGBT1 IGBT10 1 π fsw [ Eon + Eoff ] IGBT7 D4 IGBT10 IGBT4 IGBT7 Trascurabili D1 D4 1 π fsw E rr ( I pk ) 17

E sw ( I pk ) IGBT4 D1 IGBT1 IGBT10 1 π fsw [ Eon + Eoff ] IGBT7

18 SEMITOP 4 Calcolo delle perdite nell inverter a due livelli (2L) IGBT1 IGBT1 D1 IGBT4 Perdite di conduzione P on = 1 2 V CE π o i + r i + V m cosφ CE CEo CE 4 i + r 3 π i IGBT4 D4 Perdite di commutazione P sw 2 1 = fsw Esw π Iref I V V cc ref K v 18

π o i + r i + V m cosφ 8 2 2 CE CEo CE 4 i + r 3 π i IGBT4 D4

19 SEMITOP 4 Confronto perdite per ramo Confronto basato su identiche condizioni di funzionamento S 20 kva cos(φ) 0,85 f sw 20kHz m 1 V ll,rms 400V I out,rms T s 29A 80 C 19

20 SEMITOP 4 Confronto perdite per ramo Inverter 3 livelli Inverter 2 livelli 3L ~ 50% di riduzione perdite nel silicio! 20

21 SEMITOP 4 Confronto perdite per ramo 400 Ploss per ramo [W] % fsw [khz] Total P_loss 3L Total P_ loss 2L 21

22 SEMITOP 4 I costi del modulo 1,5 Costo [p.u.] 1 0,5 0 Inverter 2 livelli SK 60 GB 128 Inverter 3 livelli SK 50 MLI

23 SEMITOP 4 Complessità 2L vs 3L Driver Algoritmi PWM DC link Filtro uscita THD Perdite ripple di corrente Tensione IGBT Perdite (commutazione/conduzione) 3 livelli - - o V ++ 2 livelli + + o V

24 SEMITOP - Il modulo per realizzare il multilevel 3 livellli L offerta di SEMIKRON: ramo di Multilevel Inverter a tre livelli [kva] SEMITOP 3 SEMITOP 4 Condizioni di lavoro: Cos phi = 1 m =1 Ts = 70 C Fsw = 20kHz fino a 150A! 24

25 SEMITOP - Il modulo per realizzare il multilevel 3 livelli Multilevel Inverter 3-fase Solo 3 moduli fino a 150A! 25

26 SEMITOP 3 - MLI 10-30KVA 26

27 SEMITOP 4 - MLI 40-80KVA 27

28 SEMITOP 4 Perché il multi-livello a tre livelli? 3 livelli di tensione di uscita disponibili (+/ - / 0) Migliore approssimazione di una sinusoide Riduzione dei filtri di uscita (minori costi ed ingombri) Riduzione della distorsione armonica Minimizzazione delle perdite Massimizzazione dell EFFICIENZA 28

29 Grazie per l attenzione! Riccardo Ramin [email protected] Marco Di Lella [email protected] 29

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