Theoretische und experimentelle Untersuchung eines Drei-Phasen Pulsgleichrichtersystems mit Drei-Schalter Tiefsetzstellereingangsstufe und integrierter Hochsetzstellerausgangsstufe mit sinusförmiger Eingangsstromführung für den Einsatz in einem weiten Eingangsspannungsbereich

Abstract

Ein neuartiges dreiphasiges Pulsgleichrichtersystem mit einer Drei-Schalter Tiefsetzstellereingangsstufe und integrierter Hochsetzstellerausgangsstufe mit ohmschem Netzverhalten für einen weltweiten Einsatz (208V bis 480V Netzaußenleiterspannung) und 5kW Ausgangsleistung und 400V Ausgangsspannung wird vorgestellt. Die Entwicklung der Schaltung wird gezeigt, die Schaltung wird theoretisch analysiert und verschiedene Modulationsverfahren der Tiefsetzstellereingangsstufe werden hinsichtlich ihrer Schaltverluste sowie hinsichtlich des Spannungsrippels der eingangsseitigen Filterkondensatoren und des Rippels des Stromes in der Zwischenkreisinduktivität verglichen. Ein Leistungsteil wird dimensioniert und die Auswahl der Leistungshalbleiter mittels einer detaillierten experimentellen Analyse überprüft, weiters wird die selbe experimentelle Analyse für ein von IXYS Semiconductors GmbH gefertigtes Modul, das die Leistungshalbleiter eines Brückenzweiges enthält, durchgeführt. Der Einfluss von Nichtidealitäten (Flussspannungsabfälle der Leistungshalbleiter, Schaltverzug der Leistungstransistoren, Genauigkeit und Auflösung der Signalverarbeitung) auf das Betriebsverhalten wird analytisch untersucht. Eine Regelung, die den Betrieb mit ohmschem Netzverhalten auch bei unterschiedlichen Netzfehlerzuständen ermöglicht, wird entwickelt und deren Funktion durch digitale Simulationen und experimentelle Analysen bestätigt. Die charakteristische Größen wie Leistungsfaktor, Wirkungsgrad und Total Harmonic Distortion der Netzphasenströme zeigen gute Eigenschaften sowohl für Normalbetrieb und den Betrieb im Fehlerfall. Die Parallelschaltung von zwei Eingangsstufen wird untersucht und ein Modulationsverfahren entwickelt, das eine gute Eigenstabilität der Stromaufteilung zwischen den Gleichrichtersystemen sowie eine einfache Möglichkeit der Symmetrierung der Zwischenkreisströme über einen zusätzlichen Freilaufzustand bietet. Weiters werden unterschiedliche Regelstrukturen zur Zwischenkreisstromsymmetrierung vorgestellt und verglichen.<br />

A novel three-phase PWM rectifier system with three-switch buck-type input stage and integrated boost-type output stage with sinusoidal mains currents for the application in a wide input voltage range (208V to 480V line-to-line) for 5kW output power and 400V output voltage is presented. The derivation of the system structure is given, the rectifier system is analyzed theoretically and different modulation methods of the buck stage are compared concerning switching losses, input filter capacitor voltage ripple and DC-link current ripple. The dimensioning of the power stage is given and a detailed experimental analysis is carried out to check the dimensioning of the power semiconductors, the same experimental analysis is carried out for a power module from IXYS Semiconductors GmbH containing the power semiconductors of one bridge leg. The influence of non-idealities (forward voltage drops of the power semiconductors, switching delay of the power transistors, accuracy of signal processing) on the operating behavior of the rectifier system is investigated analytically. A control concept guaranteeing ohmic mains behavior for a general mains phase voltage unbalance without changeover is presented, digital simulations and experimental results confirm the function of the control. System characteristics (power factor, efficiency and total harmonic distortion of the mains currents) are determined. The parallel connection of two rectifier systems is investigated and a modulation method is chosen which is advantageous concerning the self-stability of the DC-link current partitioning and which shows a simple possibility for DC-link current symmetrization by adding an additional free-wheeling state.<br />Furthermore, different control structures for DC-link current balancing are presented and compared.