Advanced carrier-based modulation and design optimization for the five-level current source rectifier

Abstract

Conversores fonte de corrente (CSC) podem ser utilizados ao invés dos tradicionais conversores fonte de tensão (VSC) para aplicações em sistemas de distribuição em corrente contínua, carregadores de bateria de alta potência como em veículos elétricos, datacenters, etc. Neste trabalho, o conversor trifásico fonte de corrente de cinco níveis é utilizado para recarga de baterias. As características dessa topologia, incluindo o princípio de operação, diferentes estratégias de modulação e cálculo dos esforços de corrente e tensão são detalhados através de uma análise utilizando a teoria de vetores espaciais. O conversor é construído por meio do paralelismo de dois retificadores tipo buck de seis interruptores que efetuam a correção do fator de potência (PFC). A conexão em paralelo é feita por meio da utilização dos transformadores de interfase (IPTs). O conversor utiliza a modulação por largura de pulso (PWM) com intercalamento. Os padrões de modulação, idealmente, levam a média das tensões sobre os IPTs ao valor nulo, indicando uma modulação naturalmente balanceada para cada período de comutação. No entanto, se um desbalanço ocorre, a saturação dos IPTs deve ser ativamente evitada. Para evitar a possível saturação dos transformadores, propõe-se aplicar a técnica de balanceamento das correntes com dois métodos diferentes e inéditos. Visando apontar as dificuldades da utilização de um DSC para controle e modulação de um CSC, um estudo detalhado da geração dos sinais de comando PWM, na transição dos setores, é efetuado. O sistema apresenta: utilização equilibrada dos semicondutores; baixa ondulação de tensão e corrente nos terminais de entrada e saída; e balanceamento das correntes. Além disso, um procedimento de otimização é implementado com base na modelagem térmica e eletromagnética detalhada dos componentes magnéticos, que normalmente são os componentes mais críticos em tais CSCs. A otimização é usada para finalmente projetar e construir um protótipo de alto desempenho que apresenta as melhorias propostas sobre o estado da arte dos conversores fonte de corrente trifásicos. A aplicabilidade do conversor é demonstrada por meio de experimentos práticos.

Abstract : The current source converters (CSC) can be used in place of the traditional voltage source converters (VSC) in dc power distribution systems, high power battery chargers as in electric vehicles, datacenters applications, etc. In this work the three-phase five-level current source converter is assumed in an electric vehicle battery charger application. The characteristics of this topology, including the principles of operation, different modulation strategies, and voltage and current efforts equations are detailed using space vector theory. The power converter is constructed by means of two six-switch buck-type converters parallelism that efficiently operates with power factor correction (PFC). The parallel connection is enabled by using interphase transformers (IPTs). A pulse width modulation (PWM) with two symmetrically phase-shifted carriers drives the converter. The modulation patterns ideally lead to null average voltages across the IPTs at each switching period indicating naturally balanced operation. Nevertheless the IPT saturation must be actively avoided if an imbalance occurs. The current balance is included in the modulation strategy with two different and novel methods. The challenges using a DSC for the CSC control and modulation scheme are described. The system features: high utilization of the power semiconductors; low current and voltage ripples at the input and output terminals; and current balancing. Furthermore, an optimization procedure is implemented based on the detailed thermal and electromagnetic modeling of the magnetic components, which are typically the most critical components in such CSCs. The optimization is used to finally design and build a high performance prototype that features the proposed improvements over state-of-the-art three-phase current source converters. The feasibility of the presented converter is demonstrated with experimental tests.