Comparative Analysis of Single-Phase Multilevel Inverters Based on Switching Cells to Increase Current Capacity

• Main Author: Joao Aberides Ferreira Neto
• Other Authors: CÃcero Marcos Tavares Cruz
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal do Cearà 2014
• Subjects: Electrical Engineering; Switching Cells; Multilevel Inverters; ENGENHARIA ELETRICA
• Online Access: http://www.teses.ufc.br/tde_busca/arquivo.php?codArquivo=11946

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior === This work presents a comparative evaluation of three single-phase neutral point clamped multilevel inverters, based on switching cells, which have as a common characteristic the capacity increase of the total output current of the converters without increasing the current efforts in semiconductors. The technique employed to perform this evaluation consists primarily on individual analysis of the classical three level topology, applying only the parallelism of switching cells. Then a detailed analysis of the main topology evaluated in this work is performed. It is the five level neutral point clamped inverter, based on multi-state switching cell, which uses multilevel interleaved converters, coupled magnetically through an autotransformer in order to distribute uniformly the total output current between their windings, and consequently between the semiconductors of the converter. In addition to presenting reduced conduction losses in the semiconductors, this technique also provides a reduction in volume and weight of magnetic components due to frequency of operation of reactive elements is a multiple of the switching frequency of the switches. Consequently, the resulting converters present high efficiency, high power density and low harmonic distortion for the output voltage and output current. The theoretical analysis of the five level neutral point clamped inverter, based on multi-state switching cell, is verified by digital simulation and by 5 kW prototypes experimentation. Simulation and experimental results are also presented for the third topology analyzed, the five level neutral point clamped inverter, based on interleaved switching cells. Finally, a comparative evaluation is performed for the three inverters analyzed. === Este trabalho apresenta a avaliaÃÃo comparativa de trÃs inversores multinÃveis monofÃsicos com grampeamento do ponto central, baseados em cÃlulas de comutaÃÃo, que apresentam como caracterÃstica comum a elevaÃÃo da capacidade da corrente total de saÃda dos conversores sem aumentar os esforÃos de corrente nos semicondutores. A tÃcnica utilizada para realizar esta avaliaÃÃo consiste, primeiramente, na anÃlise individual da topologia clÃssica de trÃs nÃveis, aplicando apenas o paralelismo de cÃlulas de comutaÃÃo. Em seguida à realizada a anÃlise detalhada da principal topologia avaliada neste trabalho. Trata-se do inversor de cinco nÃveis com grampeamento do ponto central, baseado na cÃlula de comutaÃÃo de mÃltiplos estados, que utiliza conversores multinÃveis intercalados, acoplados magneticamente atravÃs de um autotransformador que, por sua vez, tem como finalidade distribuir uniformemente a corrente total de saÃda entre os enrolamentos e, consequentemente, entre os semicondutores do conversor. AlÃm de apresentar perdas de conduÃÃo reduzidas nos semicondutores, este conversor tambÃm apresenta uma reduÃÃo no volume e peso dos componentes magnÃticos, devido à frequÃncia de operaÃÃo dos elementos passivos possuir um valor mÃltiplo da frequÃncia de comutaÃÃo dos interruptores. Como consequÃncia, os conversores resultantes apresentam alto rendimento, alta densidade de potÃncia e uma baixa distorÃÃo harmÃnica total para a tensÃo e corrente de saÃda. A anÃlise teÃrica do inversor de cinco nÃveis com grampeamento do ponto central, baseado na cÃlula de comutaÃÃo de mÃltiplos estados, à verificada atravÃs de simulaÃÃo computacional e da experimentaÃÃo obtida a partir de protÃtipos desenvolvidos para uma potÃncia de 5 kW. SÃo tambÃm apresentados resultados de simulaÃÃo e experimentais para a terceira topologia analisada, o inversor de cinco nÃveis com grampeamento do ponto central, baseado em cÃlulas de comutaÃÃo intercaladas. Finalmente, à realizada uma avaliaÃÃo comparativa entre os trÃs inversores analisados.