Ridurre le perdite di commutazione in un convertitore monofase a cinque livelli  con MOSFET SiC

I tradizionali convertitori multilivello (MLC) hanno le prestazioni elevate e l’efficienza necessaria per stare al passo con la tecnologia avanzata, ma i loro sistemi complessi e l’elevato numero di interruttori elettronici di potenza, oltre ai circuiti di supporto necessari, comportano costi aggiuntivi e sistemi ingombranti. Di seguito, esaminiamo un’efficace modifica che utilizza tecnologie avanzate per migliorare i tipi di convertitori tradizionali.

I convertitori MLC consentono di generare forme d’onda ad alta tensione a partire da componenti a bassa tensione. Utilizzano dispositivi che richiedono una potenza media e sono adatti per applicazioni in cui viene utilizzata una potenza elevata.

Esistono varie topologie di MLC, le classiche sono: flying capacitor (FC), neutral-point–clamped (NPC), e cascaded H-bridge. La topologia di tipo NPC può essere modificata per produrre un convertitore chiamato topologia di tipo T. Sebbene questa topologia riduca le perdite di conduzione (un aspetto negativo degli NPC), soffre comunque di elevate perdite di commutazione. I ricercatori hanno allora sviluppato un sistema a cinque livelli con una riduzione al minimo dello stress della tensione di commutazione semplicemente modificando la topologia di tipo T a tre livelli. In seguito a ulteriori modifiche, è stato presentato un sistema incentrato sulle elevate perdite di commutazione: un convertitore ad alta efficienza di tipo T in cui gli interruttori esterni sono sostituiti da MOSFET SiC.

Figure 1: Inverter di tipo T a cinque livelli ricavato da gambe a tre livelli

La figura sopra mostra un tipico inverter monofase formato da gambe di tipo T a tre livelli. Contiene un totale di otto dispositivi di potenza (cioè S1a–S4a e S1b–S4b) e otto diodi antiparalleli. Questo circuito ha due possibili configurazioni di gambe a tre livelli: emettitore comune (CE) o collettore comune (CC). Utilizzando questi, è possibile introdurre due nuove gambe utilizzando due interruttori MOSFET SiC nell’esterno e due MOSFET Si di rating inferiore come interruttori bidirezionali, come mostrato di seguito.

Figure 2: Nuova gamba tipo-T in configurazione CC (a) e configurazione CE  (b)

Nella Figura 2a, una gamba modificata (Leg A) è formata collegando il terminale di S1a, il terminale di collettore dell’interruttore S2a e il terminale di collettore di S3a nel punto “x”. Questa configurazione è una configurazione CC di un interruttore bidirezionale. Allo stesso modo, l’altra gamba modificata (Leg B) è formata utilizzando S4a, il terminale di emettitore dell’interruttore S2a e il terminale di emettitore di S3a nel punto “y”. Questa configurazione è una disposizione CE di interruttori bidirezionali, come mostrato nella Figura 2b.

Figura 3: Inverter formato utilizzando nuove gambe di tipo T utilizzando SiC

La figura sopra mostra un nuovo circuito inverter di tipo T monofase a cinque livelli. Consiste di due gambe di tipo T a tre livelli avanzate e modificate. Il circuito è una versione semplificata, in quanto non è presente un diodo di bloccaggio. Il livello di tensione ottenuto nei punti “a” e “b” riferito al punto intermedio “0”, Va0 e Vb0, hanno tre livelli di tensione e la tensione ottenuta in uscita ha cinque livelli di tensione, che viene valutata dalla formula:


Vab = Va0 − Vb0


Per un facile controllo si ottiene una simmetria per la quale è richiesta una logica complementare, che si ottiene scegliendo un’opportuna numerazione degli interruttori.

Figura 4: modalità operative e circuiti del percorso di corrente

La figura sopra mostra il circuito dello stato di commutazione del nuovo inverter Leg A. Il segnale Qxy è 1 se il rispettivo interruttore è chiuso e 0 se l’interruttore è aperto. La corrente di fase scorre da uno dei nodi del collegamento CC. A seconda dello stato di commutazione, la rispettiva tensione del condensatore uscirà sul lato CA. Per l’articolo completo consultare l’originale al link:

https://www.eeweb.com/reduce-switched-voltage-stress-with-sic-in-a-five-level-single-phase-converter/

Redazione Fare Elettronica