Series connection of power semiconductors for medium voltage applications

Abstract

The series connection of power semiconductor devices allows the operation at voltage levels higher than the levels allowed by one single semiconductor. However, due to individual parameter differences of the series connected devices it is difficult to ensure a proper voltage balance between the series connected power devices and if any semiconductor exceeds its maximum blocking voltage it will fail. Because of its gate controllability and its low gate energy requirements, the IGBT is the preferred choice when high number of switching devices must be connected in series. In this research work an IGBT gate driver has been developed which will control the behaviour of the IGBT during the switching process. In consequence, this gate driver should ensure a proper voltage balance between the series connected IGBT devices. Basically, this PhD research work deals with the analysis and the modelling of the behaviour of the IGBT / Diode, proposes an active gate control and shows its validity for the series connection of IGBT / Diode devices. Finally, voltage source converter topologies are briefly compared for reactive power compensation applications at Medium Voltage utility grids. The required blocking voltage capacity is achieved by means of the series connection of power semiconductor devices.

La conexión en serie de semiconductores de potencia permite trabajar a tensiones de trabajo superiores a las que podría soportar un único semiconductor. Sin embargo, debido a diferencias en las características de los propios semiconductores es difícil garantizar el equilibrado adecuado de las tensiones de trabajo entre los distintos semiconductores conectados en serie. Si algún semiconductor supera su máxima tensión de trabajo este fallará. Debido a su controlabilidad y bajo requerimiento energético por puerta el IGBT es la opción preferida cuando se requiere la conexión en serie de gran cantidad de semiconductores. En este trabajo de investigación se ha desarrollado un driver para IGBT que permita el control del proceso de conmutación del IGBT y garantice el equilibrado de las tensiones entre los IGBTs conectados en serie. Básicamente, en este trabajo de investigación se presenta el análisis y modelado del comportamiento del IGBT/Diodo, el control activo empleado para controlar el proceso de conmutación del IGBT y su validez para la conextión en serie. Finalmente, se presenta una pequeña comparación de convertidores de fuente de tensión para aplicaciones de compensación de energía reactiva conectados directamente a redes de Media Tensión. La capacidad de bloqueo requerida se obtiene mediante la conexión en serie de semiconductores de potencia.

Potentzi erdi eroaleen serie elkarketak, erdi eroale batek jasan dezakeena baino tentsio maila altuagoan lan egitea ahalbideratzen du. Hala ere, erdi eroaleen arteko ezaugarri ezberditasunak direla eta, zaila egiten da tentsio banaketa egokia zihurtatzea. Erdi eroaleetariko batek bere gehienezko tentsio maila gainditzen badu honek huts egingo du. Erdi eroale asko seriean elkartu behar direnean IGBT-a izaten da aukerarik hobetsiena bere kontrolagarritasuna eta behar duen ateko energia maila baxua dela eta. Ikerketa lan honetan IGBT baten ateko “driver”-a garatu da. Honek IGBT-aren konmutazio prozesua kontrolatu behar du eta aldi berean, seriean elkarturiko IGBT-en artean, tentsio banaketa egokia lortu. Funtsean, ikerketa lan honetan IGBT eta Diodo-aren analisia eta modelatua erakusten dira. Modu berean “driver”-ean erabilitako kontrola eta bere baliozkotasuna IGBT/Diodo-en serie elkarketarako erakusten dira. Azkenik, Tentsio Ertaineko sarera zuzenean konektaturiko Tentsio Iturri Bihurgailuen arteko konparaketa bat egin da. Sareko tentsio maila altua dela eta erdi eroaleen serie elkarketa derrigorrezkoa da.