Entwurf und Implementierung eines WBG Puls-Umrichters mit Beobachter-basiertem aktiv gedämpftem Ausgangsfilter

Abstract

Im Fokus dieser Arbeit steht der Entwurf und die Implementierung eines aktiv gedämpften WBG-Umrichters, mit welchem System-Wirkungsgrade über jenen herkömmlicher IGBT-Umrichter erreicht werden sollen. Hohe Schaltfrequenzen im Bereich von 100kHz sollen dabei das Filtervolumen soweit reduzieren, damit der Umrichter in ein bestehendes und vom Industriepartner B&R Industrial Automation zur Verfügung gestelltes Gehäuse integriert werden kann. Auÿerdem soll der Umrichter die leitungsgebundene EMV-Norm EN55011 Class-A erfüllen, um in weiterer Folge den Einsatz ungeschirmter Motorkabeln zu erlauben. Gleichzeitig sollen jedoch möglichst hohe Regelbandbreiten zur Verfügung stehen, was den Einsatz einer geeigneten mehrstufigen Filtertopologie erfordert. Zur Steigerung des Wirkungsgrades werden anstelle von passiven Resonanzdämpfungen aktive Dämpfungsverfahren eingesetzt und in einem Regelungskonzept bestehend aus herkömmlichen PI-Reglern integriert. Über Rückkopplungen der Filterkondensatorströme werden dabei die auftretenden Filterresonanzen verlustlos gedämpft. In einem weiteren Schritt soll die benötigte Information der Filterkondensatorströme nicht über zusätzliche Messeinrichtungen, sondern anhand eines Zustandsbeobachters gewonnen werden, wodurch das implementierte Regelungskonzept nicht mehr Strommessungen als ein gewöhnlich feldorientiert geregelter IGBT Umrichter benötigt. Des Weiteren werden Parametervariationen der eingesetzten Filterelemente betrachtet, um eine Aussage über die Robustheit des angewendeten Regelungsverfahrens zu erhalten. Da die verwendeten Filterkomponenten und hier im Speziellen die Filterdrosseln die Verluste des Umrichters beeinflussen, werden die Filterkomponenten bezüglich Wirkungsgrad und Leistungsdichte optimiert. Des Weiteren können durch die sinusförmigen Motorspannungen die Verluste im Motor reduziert werden, was eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades zur Folge hat.

In this work, a three phase motor inverter with sinusoidal output voltages based on the application of Gallium Nitride (GaN) transistors and advanced control is analyzed. In comparison to standard Si-IGBTs much higher feasible switching frequencies of 100kHz and above are possible and reduce the output sine filter component size such that the filter can be directly included into the inverter. This considerably improves the EMI behaviour of the drive system as well as the acoustic noise, eases the inverter-to-motor wiring and protects the motor isolation against high du/dt rates. The work describes the dimensioning and design of the used two-stage LC filter including motor current control based on PI-type phase current controllers. The LC filter damping is performed actively by capacitor current feedback. Using this active damping scheme avoids additional losses of conventional sine filters and guarantees high inverter efficiency up to 98%. Furthermore, the control method is extended by a linear observer model, which is used for estimating the filter capacitor currents required for the implemented active damping scheme. Using the proposed method, the inverter's standard output current sensing can be used also in case of active filter damping avoiding any additional measurement channels and dissipative losses, which appear in case of active filter damping. The work reports the operating principle and analyzes the stability region and robustness of the total system by simulations. Experimental results of an implemented 2kW/400V laboratory prototype verify the proper behaviour of the proposed concept. An evaluation of optimized chokes of the first filter-stage is illustrated to achieve high inverter efficiencies in combination with a small filter volume. Finally, modifications in the filter topology are reported and analyzed for reducing the impaired noise suppression. The proposed filter scheme then results in a well damped system behaviour fulfilling established EMC standards according output noise demonstrated by experimental results of the laboratory prototype.