Development of a Base Element and Its Use in Topologies of High-Voltage Power Converters
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2018-5-48-57Keywords:
power semiconductor switch, silicon-controlled rectifier, gate turn-off thyristor, field-controlled thyristor (FCT), series assembly (stack), voltage balancing, static and dynamic losses, symmetric fixing scheme, half-bridge converter, three-level converterAbstract
Problems encountered in applying modern semiconductor switches for the high-voltage circuit arrangements used in medium- and high-voltage electric drives, electrical processing installations, and power engineering are discussed. The methods of using thyristors and IGBTs in high-power high-voltage converters are analyzed. The main drawbacks of the methods used for balancing the voltages across the components of assemblies (stacks) consisting of several series-connected thyristors or IGBTs are pointed out. A power semiconductor switch topology minimizing the static and dynamic losses in the switch regulated owing to the structural and technological parameters of the switch high-voltage component is proposed. Methods for automatically balancing the voltages across the base element components are shown. The problems concerned with removing the charge from the field controlled thyristor’s (FCT) structure through its gate during its turning off when using the base element in the upper-level switches are considered. The base element topology ensuring the charge removal path from the FCT is proposed. The possibility of applying the base element in standard converter circuits is described. The schematic diagrams of using the base element in two- and three-level converter topologies are given. The advantages of using the base element in these schemes are shown. A method for further increasing the power switch maximum permissible voltage by forming a stack based on the proposed base element is suggested.
References
1. Бардин В., Пивкин А. Зависимость КПД сварочного инвертора от характеристик тока // Силовая электроника. 2012. № 4. С. 51—53.
2. Тихомиров В.А., Титов В.Г., Хватов С.В. Технические и экономические аспекты применения регулируемых приводов постоянного и переменного тока // Труды Нижегородского гос. техн. ун-та им. Р.Е. Алексеева. 2010. № 4 (83). С. 190—204.
3. Розанов Ю.К., Воронин П.А., Рывкин С.Е., Чаплыгин Е.Е. Справочник по силовой электронике. М.: Издательский дом МЭИ, 2014.
4. Линдер С. Силовые полупроводниковые приборы. Ч. 1. Основные сведения и область применения // АВВ Ревю. 2006. № 4. С. 34—39.
5. Лазарев С.А. Применение инверторов напряжения в высоковольтном электроприводе // Экспозиция Нефть Газ. 2013. № 1 (26). С. 31—35.
6. Xigen Zhou, Zhenxue Xu, Huang A.Q., Boroyevich D. Comparison of High Power IGBT, IGCT and ETO for Pulse Applications // Proc. Annual Power Electronics Seminar von Center for Power Electronics Syst. 2002. Pp. 506—510.
7. Rashid M.H. Power Electronics Handbook: Devices, Circuits, and Applications. Burlington (USA): Butterworth-Heinemann, 2011.
8. Силкин Д.С., Падеров В.П. Определение номиналов элементов снабберных цепей для тиристоров в составе инвертора тока для печи индукционной плавки // Практическая и силовая электроника. 2014. № 4 (56). С. 12—16.
9. Bendel J., Li X. Using «Normally On» JFETs in Power Systems // Proc. Bodo’s Power Syst. 2015. Pp. 40—43.
10. Винтрич А., Николаи У., Турски В., Рейман Т. Проблемы параллельного и последовательного соединения IGBT. Ч. 2. Последовательное включение IGBT // Силовая электроника. 2013. № 5. С. 60—64.
11. Воронин П.А., Воронин И.П., Панфилов Д.И., Духнич Е.М. Оптимизация статических и динамических параметров мощного составного ключа с полевым управлением // Известия РАН. Серия «Энергетика». 2016. № 4. С. 91—102.
12. Rahimo M., Kopta A., Linder S. Novel Enhanced-planar IGBT Technology Rated up to 6.5 kV for Lower Losses and Higher SOA Capability // Proc. Power Semiconductor Devices and IC's. 2006. Pp. 1—4.
13. Пат. № 2268545 РФ. Полупроводниковое ключевое устройство / О.И. Бономорский, П.А. Воронин // Бюл. изобрет. 2006. № 2.
14. Bendel J. Cascode Configuration Eases Challenges of Applying SiC JFETs in Switching Inductive Loads // How2Power Today. 2014. Pp. 1—9.
15. Пат. № 143597 РФ. Многоуровневый инвертор с мягкой коммутацией / Д.И. Панфилов, И.П. Воронин, П.А. Воронин, Д.В. Рожков // Бюл. изобрет. 2014. № 21.
16. Пат. № 168443 РФ. Высоковольтное ключевое устройство / И.П. Воронин, П.А. Воронин, С.Ю. Кузин // Бюл. изобрет. 2017. № 4.
17. Стаудт И. Трѐхуровневые преобразователи: инструкция по эксплуатации // Силовая электроника. 2012. № 1. С. 32—37.
18. Филатов В. Двух- и трехуровневые инверторы на IGBT // Силовая электроника. 2012. № 4. С. 38—41.
19. Донской Н., Иванов А., Матисон В., Ушаков И. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики // Силовая электроника. 2008. № 1. С. 43—46.
20. Бурдасов Б.К., Нестеров С.А., Федотов Ю.Б. Преобразователи частоты для электроприводов переменного тока // Apriori. Серия «Естественные и технические науки». 2015. № 4. С. 1—15.
21. Михеев К.Е., Томасов В.С. Анализ энергетических показателей многоуровневых полупроводниковых преобразователей систем электропривода // Науч.-техн. вестник Санкт-Петербургского гос. ун-та информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 1 (77). С. 48—54.
---
Для цитирования: Воронин П.А., Воронин И.П., Духнич Е.М. Разработка базового элемента и топологий мощных высоковольтных преобразователей на его основе // Вестник МЭИ. 2018. № 5. С. 48—57. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-5-48-57.
#
1. Bardin V., Pivkin A. Zavisimost' KPD Svarochnogo Invertora ot Kharakteristik Toka. Silovaya Elektronika. 2012;4:51—53. (in Russian).
2. Tikhomirov V.A., Titov V.G., Khvatov S.V. Tekhnicheskie i Ekonomicheskie Aspekty Primeneniya Reguliruemykh Privodov Postoyannogo i Peremennogo Toka. Trudy Nizhegorodskogo Gos. Tekhn. Un-ta Im. R.E. Alekseeva. 2010;4 (83):190—204. (in Russian).
3. Rozanov Yu.K., Voronin P.A., Ryvkin S.E., Chaplygin E.E. Spravochnik po Silovoy Elektronike. M.: Izdatel'skiy Dom MPEI, 2014. (in Russian).
4. Linder S. Silovye Poluprovodnikovye Pribory. Ch. 1. Osnovnye Svedeniya i Oblast' Primeneniya. AVV Revyu. 2006;4:34—39. (in Russian).
5. Lazarev S.A. Primenenie Invertorov Napryazheniya v Vysokovol'tnom Elektroprivode. Ekspozitsiya Neft' Gaz. 2013;1 (26):31—35. (in Russian).
6. Xigen Zhou, Zhenxue Xu, Huang A.Q., Boroyevich D. Comparison of High Power IGBT, IGCT and ETO for Pulse Applications. Proc. Annual Power Electronics Seminar von Center for Power Electronics Syst. 2002: 506—510.
7. Rashid M.H. Power Electronics Handbook: Devices, Circuits, and Applications. Burlington (USA): Butterworth-Heinemann, 2011.
8. Silkin D.S., Paderov V.P. Opredelenie Nominalov Elementov Snabbernykh Tsepey dlya Tiristorov v Sostave Invertora Toka dlya Pechi Induktsionnoy Plavki. Prakticheskaya i Silovaya Elektronika. 2014;4 (56):12—16. (in Russian).
9. Bendel J., Li X. Using «Normally On» JFETs in Power Systems. Proc. Bodo’s Power Syst. 2015:40—43.
10. Vintrich A., Nikolai U., Turski V., Reyman T. Problemy Parallel'nogo i Posledovatel'nogo Soedineniya IGBT. Ch. 2. Posledovatel'noe Vklyuchenie IGBT. Silovaya Elektronika. 2013;5:60—64. (in Russian).
11. Voronin P.A., Voronin I.P., Panfilov D.I., Dukhnich E.M. Optimizatsiya Staticheskikh i Dinamicheskikh Parametrov Moshchnogo Sostavnogo Klyucha s Polevym Upravleniem. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 2016;4:91—102. (in Russian).
12. Rahimo M., Kopta A., Linder S. Novel Enhanced-planar IGBT Technology Rated up to 6.5 kV for Lower Losses and Higher SOA Capability. Proc. Power Semiconductor Devices and IC's. 2006:1—4.
13. Pat № 2268545 RF. Poluprovodnikovoe Klyuchevoe Ustroystvo / O.I. Bonomorskiy, P.A. Voronin. Byul. Izobret. 2006;2. (in Russian).
14. Bendel J. Cascode Configuration Eases Challenges of Applying SiC JFETs in Switching Inductive Loads. How2Power Today. 2014:1—9.
15. Pat № 143597 RF. Mnogourovnevyy Invertor s Myagkoy Kommutatsiey / D.I. Panfilov, I.P. Voronin, P.A. Voronin, D.V. Rozhkov. Byul. Izobret. 2014;21. (in Russian).
16. Pat № 168443 RF. Vysokovol'tnoe Klyuchevoe Ustroystvo / I.P. Voronin, P.A. Voronin, S.Yu. Kuzin. Byul. Izobret. 2017;4. (in Russian).
17. Staudt I. Trѐkhurovnevye Preobrazovateli: Instruktsiya po Ekspluatatsii. Silovaya Elektronika. 2012;1:32—37. (in Russian).
18. Filatov V. Dvukh- i Trekhurovnevye Invertory na IGBT. Silovaya Elektronika. 2012;4:38—41. (in Russian).
19. Donskoy N., Ivanov A., Matison V., Ushakov I. Mnogourovnevye Avtonomnye Invertory dlya Elektroprivoda i Elektroenergetiki. Silovaya Elektronika. 2008;1: 43—46. (in Russian).
20. Burdasov B.K., Nesterov S.A., Fedotov Yu.B. Preobrazovateli Chastoty dlya Elektroprivodov Peremennogo Toka. Apriori. Seriya «Estestvennye i Tekhnicheskie Nauki». 2015;4:1—15. (in Russian).
21. Mikheev K.E., Tomasov V.S. Analiz Energeticheskikh Pokazateley Mnogourovnevykh Poluprovodnikovykh Preobrazovateley Sistem Elektroprivoda. Nauch.-tekhn. Vestnik Sankt-Peterburgskogo Gos. Un-ta Informatsionnykh Tekhnologiy, Mekhaniki I Optiki. 2012;1 (77): 48—54. (in Russian).
---
For citation: Voronin P.A., Voronin I.P., Dukhnich E.M. Development of a Base Element and Its Use in Topologies of High-Voltage Power Converters. MPEI Vestnik. 2018;5:48—57. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-5-48-57.
2. Тихомиров В.А., Титов В.Г., Хватов С.В. Технические и экономические аспекты применения регулируемых приводов постоянного и переменного тока // Труды Нижегородского гос. техн. ун-та им. Р.Е. Алексеева. 2010. № 4 (83). С. 190—204.
3. Розанов Ю.К., Воронин П.А., Рывкин С.Е., Чаплыгин Е.Е. Справочник по силовой электронике. М.: Издательский дом МЭИ, 2014.
4. Линдер С. Силовые полупроводниковые приборы. Ч. 1. Основные сведения и область применения // АВВ Ревю. 2006. № 4. С. 34—39.
5. Лазарев С.А. Применение инверторов напряжения в высоковольтном электроприводе // Экспозиция Нефть Газ. 2013. № 1 (26). С. 31—35.
6. Xigen Zhou, Zhenxue Xu, Huang A.Q., Boroyevich D. Comparison of High Power IGBT, IGCT and ETO for Pulse Applications // Proc. Annual Power Electronics Seminar von Center for Power Electronics Syst. 2002. Pp. 506—510.
7. Rashid M.H. Power Electronics Handbook: Devices, Circuits, and Applications. Burlington (USA): Butterworth-Heinemann, 2011.
8. Силкин Д.С., Падеров В.П. Определение номиналов элементов снабберных цепей для тиристоров в составе инвертора тока для печи индукционной плавки // Практическая и силовая электроника. 2014. № 4 (56). С. 12—16.
9. Bendel J., Li X. Using «Normally On» JFETs in Power Systems // Proc. Bodo’s Power Syst. 2015. Pp. 40—43.
10. Винтрич А., Николаи У., Турски В., Рейман Т. Проблемы параллельного и последовательного соединения IGBT. Ч. 2. Последовательное включение IGBT // Силовая электроника. 2013. № 5. С. 60—64.
11. Воронин П.А., Воронин И.П., Панфилов Д.И., Духнич Е.М. Оптимизация статических и динамических параметров мощного составного ключа с полевым управлением // Известия РАН. Серия «Энергетика». 2016. № 4. С. 91—102.
12. Rahimo M., Kopta A., Linder S. Novel Enhanced-planar IGBT Technology Rated up to 6.5 kV for Lower Losses and Higher SOA Capability // Proc. Power Semiconductor Devices and IC's. 2006. Pp. 1—4.
13. Пат. № 2268545 РФ. Полупроводниковое ключевое устройство / О.И. Бономорский, П.А. Воронин // Бюл. изобрет. 2006. № 2.
14. Bendel J. Cascode Configuration Eases Challenges of Applying SiC JFETs in Switching Inductive Loads // How2Power Today. 2014. Pp. 1—9.
15. Пат. № 143597 РФ. Многоуровневый инвертор с мягкой коммутацией / Д.И. Панфилов, И.П. Воронин, П.А. Воронин, Д.В. Рожков // Бюл. изобрет. 2014. № 21.
16. Пат. № 168443 РФ. Высоковольтное ключевое устройство / И.П. Воронин, П.А. Воронин, С.Ю. Кузин // Бюл. изобрет. 2017. № 4.
17. Стаудт И. Трѐхуровневые преобразователи: инструкция по эксплуатации // Силовая электроника. 2012. № 1. С. 32—37.
18. Филатов В. Двух- и трехуровневые инверторы на IGBT // Силовая электроника. 2012. № 4. С. 38—41.
19. Донской Н., Иванов А., Матисон В., Ушаков И. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики // Силовая электроника. 2008. № 1. С. 43—46.
20. Бурдасов Б.К., Нестеров С.А., Федотов Ю.Б. Преобразователи частоты для электроприводов переменного тока // Apriori. Серия «Естественные и технические науки». 2015. № 4. С. 1—15.
21. Михеев К.Е., Томасов В.С. Анализ энергетических показателей многоуровневых полупроводниковых преобразователей систем электропривода // Науч.-техн. вестник Санкт-Петербургского гос. ун-та информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 1 (77). С. 48—54.
---
Для цитирования: Воронин П.А., Воронин И.П., Духнич Е.М. Разработка базового элемента и топологий мощных высоковольтных преобразователей на его основе // Вестник МЭИ. 2018. № 5. С. 48—57. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-5-48-57.
#
1. Bardin V., Pivkin A. Zavisimost' KPD Svarochnogo Invertora ot Kharakteristik Toka. Silovaya Elektronika. 2012;4:51—53. (in Russian).
2. Tikhomirov V.A., Titov V.G., Khvatov S.V. Tekhnicheskie i Ekonomicheskie Aspekty Primeneniya Reguliruemykh Privodov Postoyannogo i Peremennogo Toka. Trudy Nizhegorodskogo Gos. Tekhn. Un-ta Im. R.E. Alekseeva. 2010;4 (83):190—204. (in Russian).
3. Rozanov Yu.K., Voronin P.A., Ryvkin S.E., Chaplygin E.E. Spravochnik po Silovoy Elektronike. M.: Izdatel'skiy Dom MPEI, 2014. (in Russian).
4. Linder S. Silovye Poluprovodnikovye Pribory. Ch. 1. Osnovnye Svedeniya i Oblast' Primeneniya. AVV Revyu. 2006;4:34—39. (in Russian).
5. Lazarev S.A. Primenenie Invertorov Napryazheniya v Vysokovol'tnom Elektroprivode. Ekspozitsiya Neft' Gaz. 2013;1 (26):31—35. (in Russian).
6. Xigen Zhou, Zhenxue Xu, Huang A.Q., Boroyevich D. Comparison of High Power IGBT, IGCT and ETO for Pulse Applications. Proc. Annual Power Electronics Seminar von Center for Power Electronics Syst. 2002: 506—510.
7. Rashid M.H. Power Electronics Handbook: Devices, Circuits, and Applications. Burlington (USA): Butterworth-Heinemann, 2011.
8. Silkin D.S., Paderov V.P. Opredelenie Nominalov Elementov Snabbernykh Tsepey dlya Tiristorov v Sostave Invertora Toka dlya Pechi Induktsionnoy Plavki. Prakticheskaya i Silovaya Elektronika. 2014;4 (56):12—16. (in Russian).
9. Bendel J., Li X. Using «Normally On» JFETs in Power Systems. Proc. Bodo’s Power Syst. 2015:40—43.
10. Vintrich A., Nikolai U., Turski V., Reyman T. Problemy Parallel'nogo i Posledovatel'nogo Soedineniya IGBT. Ch. 2. Posledovatel'noe Vklyuchenie IGBT. Silovaya Elektronika. 2013;5:60—64. (in Russian).
11. Voronin P.A., Voronin I.P., Panfilov D.I., Dukhnich E.M. Optimizatsiya Staticheskikh i Dinamicheskikh Parametrov Moshchnogo Sostavnogo Klyucha s Polevym Upravleniem. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 2016;4:91—102. (in Russian).
12. Rahimo M., Kopta A., Linder S. Novel Enhanced-planar IGBT Technology Rated up to 6.5 kV for Lower Losses and Higher SOA Capability. Proc. Power Semiconductor Devices and IC's. 2006:1—4.
13. Pat № 2268545 RF. Poluprovodnikovoe Klyuchevoe Ustroystvo / O.I. Bonomorskiy, P.A. Voronin. Byul. Izobret. 2006;2. (in Russian).
14. Bendel J. Cascode Configuration Eases Challenges of Applying SiC JFETs in Switching Inductive Loads. How2Power Today. 2014:1—9.
15. Pat № 143597 RF. Mnogourovnevyy Invertor s Myagkoy Kommutatsiey / D.I. Panfilov, I.P. Voronin, P.A. Voronin, D.V. Rozhkov. Byul. Izobret. 2014;21. (in Russian).
16. Pat № 168443 RF. Vysokovol'tnoe Klyuchevoe Ustroystvo / I.P. Voronin, P.A. Voronin, S.Yu. Kuzin. Byul. Izobret. 2017;4. (in Russian).
17. Staudt I. Trѐkhurovnevye Preobrazovateli: Instruktsiya po Ekspluatatsii. Silovaya Elektronika. 2012;1:32—37. (in Russian).
18. Filatov V. Dvukh- i Trekhurovnevye Invertory na IGBT. Silovaya Elektronika. 2012;4:38—41. (in Russian).
19. Donskoy N., Ivanov A., Matison V., Ushakov I. Mnogourovnevye Avtonomnye Invertory dlya Elektroprivoda i Elektroenergetiki. Silovaya Elektronika. 2008;1: 43—46. (in Russian).
20. Burdasov B.K., Nesterov S.A., Fedotov Yu.B. Preobrazovateli Chastoty dlya Elektroprivodov Peremennogo Toka. Apriori. Seriya «Estestvennye i Tekhnicheskie Nauki». 2015;4:1—15. (in Russian).
21. Mikheev K.E., Tomasov V.S. Analiz Energeticheskikh Pokazateley Mnogourovnevykh Poluprovodnikovykh Preobrazovateley Sistem Elektroprivoda. Nauch.-tekhn. Vestnik Sankt-Peterburgskogo Gos. Un-ta Informatsionnykh Tekhnologiy, Mekhaniki I Optiki. 2012;1 (77): 48—54. (in Russian).
---
For citation: Voronin P.A., Voronin I.P., Dukhnich E.M. Development of a Base Element and Its Use in Topologies of High-Voltage Power Converters. MPEI Vestnik. 2018;5:48—57. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-5-48-57.
Downloads
Published
2018-10-01
Issue
Section
Electrical Engineering (05.09.00)
