This paper provides a comparison of high power semiconductor devices in 5MW-class Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) Medium Voltage (MV) wind turbines. High power semiconductor devices of IGBT module type, IGBT press-pack type, and IGCT of both 4.5kV and 6.5kV are considered in this paper. Benchmarking is performed based on neutral-point clamed 3-level back-to-back type voltage source converter supplied from grid voltage of 4160V. The feasible number of semiconductor devices in parallel is designed through the loss analysis considering both conduction and switching losses under the given operating conditions of 5MW-class PMSG wind turbines, particularly for the application in offshore wind farms. The loss analysis is confirmed through PLECS simulations. The comparison result shows that IGBT press-pack type semiconductor device has the highest efficiency and IGCT has the lowest cost factor considering the necessary auxiliary components.
In this study, a selective inverter operation between a 2-level voltage source converter (VSC) and a 3-level T-type VSC (3LT VSC) is proposed to improve the efficiency of a 3LT VSC. The 3LT VSC topology, except for its neutral-point switches, has similar operations as that of the 2-level VSC. If an operation mode is changed according to efficiency, the efficiency can be improved because efficiencies of each methods are depending on current and MI (Modulation Index). The proposed method calculates the power losses of the two topologies and operates as the having lower losses. To calculate the losses, the switching and conduction losses based on the operation mode of each topology were analyzed. The controller determined the operation mode of the 2- or 3-level VSC based on the power loss calculated during every cycle. The validity of the proposed control scheme was investigated through simulation and experiments. The waveform and average efficiency of each method were compared.
In order to control the output voltage in a dual active bridge converter, this paper establishes a theoretical inductor current equation for a dual-pulse-width-modulation scheme that ensures low switching loss. It also proposes a modulation strategy that minimizes conduction loss. When compared to the conventional single-pulse-width-modulation strategy, the proposed approach can reduce the inductor current RMS and improve efficiency in the low power region, as verified through simulation and experimental results.
In this paper, a totem pole PFC was structured in two methods with FET and diode for low-speed switch while GaN FET was used for high-speed switch. Internal power loss, power conversion efficiency and steady-state characteristics of the two methods were compared in the totem pole bridgeless PFC circuit which is widely applied in large-capacity and high-efficiency switching rectifier of 500W or more. In order to compare and confirm the steady-state characteristics under equal conditions, a 2kW class totem pole bridgeless PFC was constructed and the experimental results were analyzed. From the experimental results, it was confirmed that the low-speed switch operation has a large difference in efficiency due to the internal conduction loss of the low-speed switch at a low input voltage. Especially, input power factor and load characteristic showed no difference regardless of the low-speed switch operation.
본 연구는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 전기적 특성을 향상시키기 위해 새로운 구조의 IGBT를 제안하였다. 첫 번째 구조는 기존 IGBT 구조의 P-베이스 영역 우측 부분에 N+영역을 추가한 방법으로 기존 구조에 비해 빠른 Turn-off 시간과 낮은 전도 손실을 갖는 구조이다. 또한, 두 번째 구조는 게이트 우측 하단에 P+를 형성함으로써 Latching 전류를 향상시킨 구조이다. 시뮬레이션 결과 제안된 첫 번째 구조는 빠른 Turn-off 시간(3.4us), 낮은 순방향 전압강하(3.08V)의 특성을 보였으며, 두 번째 구조는 높은 Latching 전류(369A/?? ) 특성을 보였다. 따라서 본 논문은 제안된 두 가지의 구조를 하나로 결합한 구조로써 기존 IGBT보다 향상된 특성을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.
A novel current-fed energy-recovery sustaining driver (CFERSD) for a PDP is proposed in this paper. Its main idea is to recover the energy stored in the PDP or to inject the input source energy to the PDP by using the current source built-up in the energy recovery inductor. This method provides zero-voltage-switching (ZVS) of all main power switches, the reduction of EMI, and more improved operational voltage margins with the aid of the discharge current compensation. In addition, since the current flowing through the energy recovery inductor can compensate the plasma discharge current flowing through the conducting power switches, the current stress through all main power switches can be considerably reduced. Furthermore, it features a low conduction loss and fast transient time. Operations, features and design considerations are presented and verified experimentally on a 1020${\times}$l06mm sized PDP, 50kHz-switching frequency, and sustaining voltage 140V based prototype.
고효율 고전력 밀도를 제공하는 공진형 컨버터에 있어서 스위치에 걸리는 전압 스트레스는 입력전압의 4∼5배 정도여서, 높은 정격의 소자를 필요로 하기 때문에 전도손실을 증가시킨다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안했던 교번으로 동작하는 포워드 다중공진형 컨버터에 적용한 회로 형태를 다른 컨버터에 적용한 예를 제시하였다. 그리고 제안한 AT포워드 다중공진형 컨버터의 루프 이득 특성을 알아보기 위해 HP4194A 네트워크 해석기를 이용해 실험적으로 측정한 결과에 대해 고찰하였다.
This paper proposed an optimized design of a dual active bridge converter for a low-voltage charger. The dual active bridge converter among various bi-directional DC/DC converters is a high-efficiency isolated bi-directional converter. In the general design, when the battery voltage is high, the ZVS region is reduced. In contrast, when the battery voltage is low, the efficiency is low due to high conduction loss. In order to increase the ZVS region and the power conversion efficiency, depending on the battery voltage, variable switching frequency method is applied. At the same duty, the same power is obtained regardless of the battery voltage using the variable switching frequency method. The proposed method was applied to a 5kW prototype converter, and the experimental results were analyzed and verified.
This paper proposes a multimode hybrid control strategy that can achieve zero-voltage switching of primary switches and zero-current switching of secondary rectifier diodes in a wide input voltage range for full-bridge LLC resonant converters. When the input voltage is lower than the rated voltage, the converter operates in Mode 1 through the variable-frequency control strategy. When the input voltage is higher than the rated voltage, the converter operates in Mode 2 through the VF and phase-shift control strategy until the switching frequency reaches the upper limit. Then, the converter operates in Mode 3 through the constant-frequency and phase-shift control strategy. The secondary-side diode current will operate in the discontinuous current mode in Modes 1 and 3, whereas it will operate in the boundary current mode in Mode 2. The current RMS value and conduction loss can be reduced in Mode 2. A detailed theoretical analysis of the operation principle, the voltage gain characteristics, and the realization method is presented in this paper. Finally, a 500 W prototype with 100-200 V input voltage and 40 V output voltage is built to verify the feasibility of the multimode hybrid control strategy.
Power electronics is a key technology for electric, hybrid, plug-in hybrid, and fuel cell vehicles. Typical power electronics converters used in electric drive vehicles include dc/dc converters, inverters, and battery chargers. New semiconductor materials such as silicon carbide (SiC) and novel topologies such as the Z-source inverter (ZSI) have a great deal of potential to improve the overall performance of these vehicles. In this paper, a Z-source inverter for fuel cell vehicle application is examined under three different scenarios. 1. a ZSI with Si IGBT modules, 2. a ZSI with hybrid modules, Si IGBTs/SiC Schottky diodes, and 3. a ZSI with SiC MOSFETs/SiC Schottky diodes. Then, a comparison of the three scenarios is conducted. Conduction loss, switching loss, reverse recovery loss, and efficiency are considered for comparison. A conclusion is drawn that the SiC devices can improve the inverter and inverter-motor efficiency, and reduce the system size and cost due to the low loss properties of SiC devices. A comparison between a ZSI and traditional PWM inverters with SiC devices is also presented in this paper. Based on this comparison, the Z-source inverter produces the highest efficiency.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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