This paper proposes a new solution by carrier-based SVPWM method to solve the most serious problem of Flying Capacitor Multi-level Inverter that is unbalance of capacitor voltages The voltage unbalance is occurred by the difference of each capacitor's charging and discharging time applied to Flying Capacitor Multi-level Inverter. It controls the variation of capacitor voltages into the mean'0' during some period by means of new carriers using the leg voltage redundancy in the Inverter. The solution can be easily expanded to the multi-level. Also this method can make the switching loss and conduction loss of device equal by the use of leg voltage redundancy. First the unbalance of capacitor voltage is analyzed and the conventional theory of self-balance using phase-shifted carrier is reviewed. And then the new method that is suitable to the Flying Capacitor Inverter is explained. The simulation results would be shown to verify the proposed method
This paper focuses on the development of a Five-Level Flying-Capacitor Dual Buck Inverter (FLFCDBI) based on the main circuit of dual buck inverters. This topology has been described as not having any shoot-through problems, no body-diode reverse recovery problems and the half-cycle work mode found in the traditional Multi-Level Flying-Capacitor Inverter (MLFCI). It has been shown that the flying-capacitor voltages of this inverter can be regulated by the redundant state selection within one pole. The voltage balance of the flying-capacitors can be achieved by charging or discharging in the positive (negative) half cycles by choosing the proper logical algorithms. This system has a simple structure but demonstrates improved performance and reliability. The validity of this inverter is conformed through computer-aided simulation and experimental investigations.
The flying capacitor voltage control of the flying capacitor multi-level inverter (FCMLI) is very important for safe operation. The voltage unbalancing of flying capacitors caused serious problems in safety and reliability of system. In the FCMLI, balancing problem of the flying capacitor has its applications limited. The voltage unbalance is occurred by the difference of each capacitors charging and discharging time applied to FCMLI. This paper investigates and analyzes multi-carrier PWM methods to solve capacitor voltage balancing problem. The Phase-Shift PWM (PSPWM) method that is commonly used, The Modified Carrier-Redistribution PWM (MCRPWM) method and The Saw-Tooth-Rotation PWM (STRPWM) method are discussed and compared with respect to switching state, balancing voltage of capacitors and output waveform. These three PWM methods are analyzed by using a flying capacitor three-level inverter and provided result through simulation. Finally, the harmonics about the output voltages of their methods are compared using the harmonic distortion factor (HDF).
본 논문은 플라잉 커패시터 멀티-레벨 인버터의 가장 큰 문제점인 플라잉 커패시터 전압 불균형의 새로운 해결방법으로 캐리어 로테이션(Carrier-Rotation) PWM 기법을 제안한다. 제안된 기법은 모든 스위치가 한번의 스위칭동작을 하는 동안 플라잉 커패시터의 충전과 방전에 관계된 레그 전압 리던던시(redundancy)를 같은 비율로 사용하여 플라잉 커패시터 전압을 일정하게 유지하며, 전압의 변동폭이 최소가 되도록 제어한다 이 방법은 각 캐리어의 배치가 모두 통상이므로 출력 전압의 고조파 성분이 저감되며, 또한 모든 스위치의 스위칭 주파수가 같으므로 스위치 이용률이 개선되는 특성을 갖는다. 제안된 기법을 플라잉 커패시터 3-레벨 인버터에 적용하여 상세히 분석하고, 3-레벨 이상에 적용할 수 있도록 일반화한다. 제안된 기법의 타당성은 실험 결과로 검증된다.
This paper presents a simple carrier symmetric method for the voltage balance of flying capacitors in FCMLI(flying capacitor multi-level inverter). To achieve the voltage balance of flying capacitors, the utilization of each carrier must be balanced during a half-cycle of the switching period such as PSPWM(Phase-Shifted PWM). However, the CRPWM(Carrier Redistribution PWM) method causes the fluctuation of flying capacitor voltages because the balanced utilization of carriers is not achieved. Moreover, it does not consider that the load current change has an influence on flying capacitor voltages by assuming that the current flows into the load. To overcome the drawbacks of CRPWM, it is modified by the technique that carriers of each band are disposed symmetrically at every fundamental period. Firstly, the CRPWM method is reviewed and the theory on voltage balance of flying capacitors is analyzed. The proposed method is introduced and is verified through the experiment result.
본 논문에서는 플라잉 커패시터 멀티-레벨 인버터의 가장 큰 문제점인 커패시터 전압 불균형을 캐리어 비교방식을 토대로 한 펄스 폭 변조 방식(PWM)을 이용하여 제어하는 새로운 PWM방법을 제안한다. 제안된 방법은 멜티-레벨 인버터로 확장이 용이한 캐리어 비교 방식의 PWM방법으로서 플라잉 커패시터 인버터에서 소자의 스위칭시각 커패시터의 충·방전으로 인해 발생되는 전압불균형에 대해 상전압 리던던시와 선간전압 리던던시를 이용하여 커패시터 전압의 변화량을 일정주기에 대해 평균적으로 영으로 제어하게 된다. 또한 이 방법은 상전압 리던던시를 고르게 이용하여 소자의 스위치 손실과 도통 손실을 같게 하는 장점을 지닌다. 본문에서 플라잉 커패시터 인버터에 서 발생하는 커패시터 전압 불균형에 대해 분석하고 이 인버터에 적합한 캐리어 비교방식의 PWM방법을 설명한다.
This paper proposes a Carrier-Rotation PWM technique that is new solution for the voltage unbalancing problem of flying capacitors in the Flying Capacitor Multi-level Inverter (FCMI).The proposed PWM technique equalizes the utilization of phase leg voltage redundancies corresponding to the charging and the discharging state of flying capacitors during one switching period of all the switches. it also has the same switch utilization and the reduced harmonics of output voltage. Hence, it is more suitable for the FCMI compared with the conventional solutions. Experimental results on the laboratory prototype flying capacitor 3-level inverter confirm the validity of the proposed PWM technique.
The multi-level inverters are highly efficient for high-power and medium-voltage AC driving applications, such as high-speed railway systems and renewable energy resources, because such inverters generate lower total harmonic distortion (THD) and electromagnetic interface (EMI). Lower switching stress occurs on switching devices compared with conventional two-level inverters. Depending on the multi-level inverter topology, the required components and number of switching devices are different, influencing the overall efficiency. Comparative studies of multi-level inverters based on loss analysis and output characteristic are necessary to apply multi-level inverters in high-power AC conversion systems. This paper proposes a theoretical loss analysis method based on piecewise linearization of characteristic curves of power semiconductor devices as well as loss analysis and output performance comparison of five-level neutral-point clamped, flying capacitor inverters, and high-level cascaded H-bridge multi-level inverters.
This paper presents a simple carrier symmetric method for the voltage balance of flying capacitors in FCMLI(flying capacitor multi-level inverter). To achieve the voltage balance of flying capacitors, the utilization of each carrier must be balanced during a half-cycle of the switching period such as PSPWM(Phase-Shifted PWM). However, the CRPWM(Carrier Redistribution PWM) method causes the fluctuation of flying capacitor voltages because the balanced utilization of carriers is not achieved. Moreover, it does not consider that the load current change has an influence on flying capacitor voltages by assuming that the current flows Into the load. To overcome the drawbacks of CRPWM, it is modified by the technique that carriers of each band are disposed symmetrically at every fundamental period. Firstly, the CRPWN method is reviewed and the theory on voltage balance of flying capacitors is analyzed. The proposed method Is introduced and is verified through the experiment result.
The stratospheric drones are developed to perform missions such as weather observation, communication relay, surveillance, and reconnaissance at 18km to 20km, where climate change is minimal and there is no worry about a collision with aircraft. It uses solar panels for daytime flights and energy stored in batteries for night flights, providing many advantages over existing satellites. The electrical and power systems essential for stratospheric drone flight must ensure reliability, efficiency, and lightness by selecting the optimal circuit topology. Therefore, it is necessary to analyze the circuit topology of various types of multi-level inverters with high redundancy that can ensure the reliability and efficiency of the motor driving power required for stable long-term flight of stratospheric drones. By quantifying the switch element voltage drop and the number and weight of inverter components for each topology, we evaluate efficiency and lightness and propose the most suitable circuit topology for stratospheric drones.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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