Design and Implementation of High-Efficiency, Lightweight, System-Friendly Solid-State Circuit Breaker

Direct current (DC) distribution system has shown potential over the alternative current (AC) distribution system in some application scenarios, e.g., electrified transportation, renewable energy, data center, etc. Because of the fast response speed, DC solid-state circuit breaker (SSCB) becomes a promising technology for the future power electronics intensive DC energy system with fault-tolerant capability. First, a thorough literature survey is performed to review the DC-SSCB technology. The key components for DC-SSCB, including power semiconductors, topologies, energy absorption units, and fault detection circuits, are studied. It is observed that the prior studies mainly focus on the basic interruption capability of the DC-SSCB. There are not so many studies on SSCB’s size optimization or system-friendly functions. Second, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) based lightweight SSCB is proposed. With the reduced gate voltage, the proposed SSCB can limit the peak fault current without the bulky and heavy fault current limiting the inductor, which exists in the conventional SSCB circuit. Thus, the specific power density of the SSCB is substantially improved compared with the conventional design. Meanwhile, to understand the impact of different design parameters on the performance of SSCB, an analytical model is built to establish the relationship between SSCB dynamic performance and operating conditions considering the key components and circuit parasitics. Simulation and test results demonstrate the accuracy of the proposed model. To limit the fault current with the proposed SSCB without a current limiting inductor, power semiconductors need to operate in the active region temporarily. During this interval, a severe voltage oscillation has been observed experimentally, leading to the DC-SSCB overstress and eventually the failure. A detailed MATLAB/Simulink model is built to understand the mechanism causing the voltage oscillation. Three suppression methods using enhanced gate drive circuitry are proposed and compared. Test results based on a 2kV/1kA SSCB prototype demonstrate the effectiveness of the proposed oscillation mitigation method and the accuracy of the derived model. Meanwhile, when the system fault impedance is close to zero (e.g., high di/dt), the influence of the parasitic inductance contributed by interconnection (e.g., bus bar, module package, etc.) cannot be neglected. To study the influence of the bus bar connections on SSCB with high di/dt, a Q3D extractor is adopted to extract the parasitic parameters of the SSCB and understand the influence of different bus bar connections. A vertical bus bar is proposed to suppress the side effect and verified by the Q3D extractor and experimental results. Finally, a system-friendly SSCB is demonstrated. The proposed gate drive enables the SSCB to operate in the current limitation mode for the overcurrent limitation. The current limitation level and limitation time can be tuned by the gate drive. Then, this dissertation provides an all-in-one solution with integrated circuitries as the fault detector, actuator for the semiconductor’s operating status regulation, and coordinated control. This allows the developed SSCB to limit system fault current not exceeding short-circuit current rating (SCCR) and also take different responses under different fault cases. The feasibility and the effectiveness of the proposed system-friendly SSCB are validated with experimental results based on a 200V/10A SSCB demonstrator

Power Semiconductors for An Energy-Wise Society

This IEC White Paper establishes the critical role that power semiconductors play in transitioning to an energy wise society. It takes an in-depth look at expected trends and opportunities, as well as the challenges surrounding the power semiconductors industry. Among the significant challenges mentioned is the need for change in industry practices when transitioning from linear to circular economies and the shortage of skilled personnel required for power semiconductor development. The white paper also stresses the need for strategic actions at the policy-making level to address these concerns and calls for stronger government commitment, policies and funding to advance power semiconductor technologies and integration. It further highlights the pivotal role of standards in removing technical risks, increasing product quality and enabling faster market acceptance. Besides noting benefits of existing standards in accelerating market growth, the paper also identifies the current standardization gaps. The white paper emphasizes the importance of ensuring a robust supply chain for power semiconductors to prevent supply-chain disruptions like those seen during the COVID-19 pandemic, which can have widespread economic impacts.The white paper highlights the importance of inspiring young professionals to take an interest in power semiconductors and power electronics, highlighting the potential to make a positive impact on the world through these technologies.The white paper concludes with recommendations for policymakers, regulators, industry and other IEC stakeholders for collaborative structures and accelerating the development and adoption of standards

A comprehensive review on modular multilevel converters, submodule topologies, and modulation techniques

The concept of the modular multilevel converter (MLC) has been raising interest in research in order to improve their performance and applicability. The potential of an MLC is enormous, with a great focus on medium- and high-voltage applications, such as solar photovoltaic and wind farms, electrified railway systems, or power distribution systems. This concept makes it possible to overcome the limitation of the semiconductors blocking voltages, presenting advantageous characteristics. However, the complexity of implementation and control presents added challenges. Thus, this paper aims to contribute with a critical and comparative analysis of the state-of-the-art aspects of this concept in order to maximize its potential. In this paper, different power electronics converter topologies that can be integrated into the MLC concept are presented, highlighting the advantages and disadvantages of each topology. Nevertheless, different modulation techniques used in an MLC are also presented and analyzed. Computational simulations of all the modulation techniques under analysis were developed, based on four cascaded full-bridge topologies. Considering the simulation results, a comparative analysis was possible to make regarding the symmetry of the synthesized waveforms, the harmonic content, and the power distribution in each submodule constituting the MLC.This work has been supported by FCT—Fundação para a Ciência e Tecnologia, within the R&D Units Project Scope UIDB/00319/2020. Mr. Luis A. M. Barros is supported by the doctoral scholarship PD/BD/143006/2018, granted by the Portuguese FCT foundation

Convertisseurs modulaires multiniveaux pour le transport d'énergie électrique en courant continu haute tension

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration entre le LAboratoire PLAsma et Conversion d’Énergie (LAPLACE), Université de Toulouse, et la Seconde Université de Naples (SUN). Ce travail a reçu le soutien de la société Rongxin Power Electronics (Chine) et traite de l’utilisation des convertisseurs multi-niveaux pour le transport d’énergie électrique en courant continu Haute Tension (HVDC). Depuis plus d’un siècle, la génération, la transmission, la distribution et l’utilisation de l’énergie électrique sont principalement basées sur des systèmes alternatifs. Les systèmes HVDC ont été envisagés pour des raisons techniques et économiques dès les années 60. Aujourd’hui il est unanimement reconnu que ces systèmes de transport d’électricité sont plus appropriés pour les lignes aériennes au-delà de 800 km de long. Cette distance limite de rentabilité diminue à 50 km pour les liaisons enterrées ou sous-marines. Les liaisons HVDC constituent un élément clé du développement de l’énergie électrique verte pour le XXIème siècle. En raison des limitations en courant des semi-conducteurs et des câbles électriques, les applications à forte puissance nécessitent l’utilisation de convertisseurs haute tension (jusqu’à 500 kV). Grâce au développement de composants semi-conducteurs haute tension et aux architectures multicellulaires, il est désormais possible de réaliser des convertisseurs AC/DC d’une puissance allant jusqu’au GW. Les convertisseurs multi-niveaux permettent de travailler en haute tension tout en délivrant une tension quasi-sinusoïdale. Les topologies multi-niveaux classiques de type NPC ou « Flying Capacitor » ont été introduites dans les années 1990 et sont aujourd’hui couramment utilisées dans les applications de moyenne puissance comme les systèmes de traction. Dans le domaine des convertisseurs AC/DC haute tension, la topologie MMC (Modular Multilevel Converter), proposée par le professeur R. Marquardt (Université de Munich, Allemagne) il y a dix ans, semble particulièrement intéressante pour les liaisons HVDC. Sur le principe d’une architecture de type MMC, le travail de cette thèse propose différentes topologies de blocs élémentaires permettant de rendre le convertisseur AC/DC haute tension plus flexible du point de vue des réversibilités en courant et en tension. Ce document est organisé de la manière suivante. Les systèmes HVDC actuellement utilisés sont tout d’abord présentés. Les configurations conventionnelles des convertisseurs de type onduleur de tension (VSCs) ou de type onduleur de courant (CSCs) sont introduites et les topologies pour les systèmes VSC sont ensuite plus particulièrement analysées. Le principe de fonctionnement de la topologie MMC est ensuite présenté et le dimensionnement des éléments réactifs est développé en considérant une commande en boucle ouverte puis une commande en boucle fermée. Plusieurs topologies de cellules élémentaires sont proposées afin d’offrir différentes possibilités de réversibilité du courant ou de la tension du côté continu. Afin de comparer ces structures, une approche analytique de l’estimation des pertes est développée. Elle permet de réaliser un calcul rapide et direct du rendement du système. Une étude de cas est réalisée en considérant la connexion HVDC d’une plateforme éolienne off-shore. La puissance nominale du système étudié est de 100 MW avec une tension de bus continu égale à 160 kV. Les différentes topologies MMC sont évaluées en utilisant des IGBT ou des IGCT en boitier pressé. Les simulations réalisées valident l’approche analytique faite précédemment et permettent également d’analyser les modes de défaillance. L’étude est menée dans le cas d’une commande MLI classique avec entrelacement des porteuses. Enfin, un prototype triphasé de 10kW est mis en place afin de valider les résultats obtenus par simulation. Le système expérimental comporte 18 cellules de commutations et utilise une plate-forme DSP-FPGA pour l’implantation des algorithmes de commande. ABSTRACT : This work was performed in the frame of collaboration between the Laboratory on Plasma and Energy Conversion (LAPLACE), University of Toulouse, and the Second University of Naples (SUN). This work was supported by Rongxin Power Electronic Company (China) and concerns the use of multilevel converters in High Voltage Direct Current (HVDC) transmission. For more than one hundred years, the generation, the transmission, distribution and uses of electrical energy were principally based on AC systems. HVDC systems were considered some 50 years ago for technical and economic reasons. Nowadays, it is well known that HVDC is more convenient than AC for overhead transmission lines from 800 - 1000 km long. This break-even distance decreases up to 50 km for underground or submarine cables. Over the twenty-first century, HVDC transmissions will be a key point in green electric energy development. Due to the limitation in current capability of semiconductors and electrical cables, high power applications require high voltage converters. Thanks to the development of high voltage semiconductor devices, it is now possible to achieve high power converters for AC/DC conversion in the GW power range. For several years, multilevel voltage source converters allow working at high voltage level and draw a quasi-sinusoidal voltage waveform. Classical multilevel topologies such as NPC and Flying Capacitor VSIs were introduced twenty years ago and are nowadays widely used in Medium Power applications such as traction drives. In the scope of High Voltage AC/DC converters, the Modular Multilevel Converter (MMC), proposed ten years ago by Professor R. Marquardt from the University of Munich (Germany), appeared particularly interesting for HVDC transmissions. On the base of the MMC principle, this thesis considers different topologies of elementary cells which make the High Voltage AC/DC converter more flexible and easy suitable respect to different voltage and current levels. The document is organized as follow. Firstly, HVDC power systems are introduced. Conventional configurations of Current Source Converters (CSCs) and Voltage Source Converters (VSCs) are shown. The most attractive topologies for VSC-HVDC systems are analyzed. The operating principle of the MMC is presented and the sizing of reactive devices is developed by considering an open loop and a closed loop control. Different topologies of elementary cells offer various properties in current or voltage reversibility on the DC side. To compare the different topologies, an analytical approach on the power losses evaluation is achieved which made the calculation very fast and direct. A HVDC link to connect an off-shore wind farm platform is considered as a case study. The nominal power level is 100 MW with a DC voltage of 160 kV. The MMC is rated considering press-packed IGBT and IGCT devices. Simulations validate the calculations and also allow analyzing fault conditions. The study is carried out by considering a classical PWM control with an interleaving of the cells. In order to validate calculation and the simulation results, a 10kW three-phase prototype was built. It includes 18 commutation cells and its control system is based on a DSP-FGPA platform

Amélioration des performances des convertisseurs HVDC mis en oeuvre pour le raccordement des parcs éoliens offshore lointains : évaluation du potentiel des nouveaux composants IGCT

Depuis plus d'une dizaine d'années, le raccordement à courant continu haute tension (HVDC) des parcs éoliens en mer s'intensifie. Cela permet de transporter vers le continent des niveaux de puissance avoisinant le GW, sur des distances sous-marines excédant la cinquantaine de kilomètres. Un enjeu clé lié au dimensionnement des stations de conversion HVDC, basées sur des MMC (convertisseurs modulaires multiniveaux), est leur rendement. Rien que 0.1% de pertes représente plusieurs GWh perdus pour chaque année d'exploitation du parc éolien. Ces pertes sont liées aux caractéristiques des semi-conducteurs utilisés. Aujourd'hui, l'IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) est le seul composant utilisé dans ce type d'application. Historiquement, l'IGBT a été développé pour des applications industrielles de moyenne puissance, et ne parait pas a priori bien placé pour réaliser des systèmes HVDC. A contrario, l'IGCT (thyristor intégré commuté par la gâchette) présente quant à lui des performances et des spécificités qui semblent mieux adaptées, néanmoins son usage dans de tels systèmes n'a jamais été considéré. Le but de cette thèse est d'optimiser le rendement de convertisseurs HVDC à base d'IGCT, dans le cadre du raccordement des parcs éoliens en mer. Ce travail a fait l'objet d'une collaboration entre le Laboratoire LAPLACE à Toulouse, EDF R&D, et le fabricant de semi-conducteurs Hitachi ABB Power Grids, Semiconductors. Dans un premier temps, les caractéristiques statiques et dynamiques des IGCT ont été relevées expérimentalement sur un banc d'essais impulsionnel. Un modèle électro-thermique a ensuite été élaboré, ceci afin de déterminer avec précision les pertes dans la centaine de sous-modules équipant un bras de MMC. Cette approche a permis de comparer différents IGCT suivant les niveaux de pertes, en prenant en compte l'intermittence de production du parc éolien en mer. Suite à cette étude basée sur des calculs et des simulations, un banc d'essais en régime permanent, constitué de deux cellules à base d'IGCT mises en opposition, a été conçu et mis en oeuvre afin de mesurer avec précision les pertes en conduction et les pertes par commutation grâce à une instrumentation dédiée. Avec une tension de travail allant jusqu'à 5 kV et des courants dépassant 2 kA, des composants 4.5 kV et 10 kV ont pu été testés dans des conditions de fonctionnement équivalentes à celles d'une station HVDC d'une puissance de 1 GW. Les mesures de pertes utilisant la méthode calorimétrique ont pu confirmer la validité des modèles électro-thermiques relatifs à IGCT et à son circuit d'aide à la commutation, avec une précision de l'ordre de 10%. Les relevés des formes d'onde ont mis en avant des écarts plus importants concernant les pertes par commutation, causés par les inductances parasites de connexion au sein de la cellule de commutation. L'utilisation croisée des modèles de pertes et des mesures expérimentales démontre que les IGCT 4.5 kV peuvent permettre une montée en puissance notable des stations HVDC à base de MMC, tandis que les IGCT 6.5 kV et 10 kV sont les plus adaptés pour accompagner la montée en tension des câbles HVDC. Les circuits permettant la commutation douce des composants sont prometteurs afin de réduire le volume des sous-modules, et seraient particulièrement favorables aux composants 6.5 kV et 10 kV, dont les pertes par commutation constituent le principal facteur limitant

Design and implementation of a modular bidirectional switch using SiC-MOSFET for power converter applications

Tis paper presents a novel modular design of a Bi-Sw with the purpose of providing to beginner researchers the key issues to design a power converter. Te Bi-Sw has been designed in modular form using the SiC-MOSFET device. Te Bi-Sw uses the advantages of SiC-MOSFET to operate at high switching frequencies. Te verifcation of the module is carried out experimentally by means of the implementation in a voltage regulating converter, where performance analysis, power losses, and temperature dissipation are performed.CONACYT – Consejo Nacional de Ciencia y TecnologíaPROCIENCI

Multilevel high power converters for reversible power flow between utilities and power pool transmission corridor

Abstract: Multilevel converters have emerged as the state of the art high power conversion for applications in reversible power flow. Electric power could be tapped from or injected to the grid regardless of the discrepancies in voltage levels, frequency, phase number and different modes of operation of the grid and the system. This paper presents an overview of different topologies of multilevel converters and modulation strategies with a verification of back-to-back neutral point converter for bidirectional power flow applicatio

A Review of Power Converters for Ships Electrification

Fully electric ships have become popular to meet the demand for emission-free transportation and improve ships' functionality, reliability, and efficiency. Previous studies reviewed the shipboard power systems, the different types of shipboard energy storage devices, and the influences of the shore-to-ship connection on ports' electrical grid. However, the converter topologies used in the electrification of ships have received very little attention. This article presents a comprehensive topological review of currently available shore-to-ship and shipboard power converters in the literature and on the market. The main goal is to anticipate future trends and potential challenges to stimulate research to accelerate more efficient and reliable electric ships