Design and multiparameter optimization of a multiphase SiC converter with operation under faults applied to an electric traction system
Authors:   , Acosta Cambranis Fernando Geovany 
Published: February 2024

(English) Greater interest in multiphase electrical systems has led to their increased use in electric traction, renewable energy generation, energy transmission, and various industrial applications. This growing interest arises from the advantages that multiphase electrical systems have over conventional three-phase systems, among which are lower current requirements per phase, more degrees of freedom, improved fault tolerance, and greater reliability. This thesis addresses the design and operation of a five-phase two-level voltage source inverter (VSI) based on wide-bandgap semiconductors. Wide-bandgap semiconductors like silicon carbide allow improving VSI power density and efficiency when designing converters. The main objective of this thesis is to develop new modulation techniques that work with wide-bandgap semiconductors operating at high frequencies. The proposed modulation techniques take into account diverse performances, such as the semiconductor converter’s power losses, the output voltage waveform quality, the common-mode voltage waveform, and the generation of conducted electromagnetic interferences. Furthermore, the VSI will rely on an additional leg for fault tolerance applications. The present thesis proposal makes the following four contributions: First, this thesis proposes two new sigma-delta modulation techniques for a fivephase two-level VSI (5PΣΔ-1 and 5PΣΔ-2). The 5PΣΔ-1 modulation technique applies the same voltage vectors as the conventional five-phase SVM techniques, while the 5PΣΔ-2 technique uses all the available voltage vectors. The converter’s performance under these modulation techniques is studied, evaluated, and compared with those obtained using conventional five-phase modulation techniques. This comparison considers the output voltage harmonic distortion, converter efficiency, generated electromagnetic interferences, and common-mode voltage (CMV). In addition, the effects of using small voltage vectors in the proposed modulation techniques (5PΣΔ-2) are evaluated. Second, this thesis presents a group of five-phase sigma-delta modulation techniques designed to mitigate CMV effects: the five-phase sigma-delta common-mode voltage reduction (5PΣΔ-CMVR) modulations. These modulation techniques utilize a set of voltage vectors that reduce the CMV peak-to-peak amplitude by 80%. Furthermore, the number of CMV level transitions during a switching frequency period is decreased, thereby improving the electromagnetic compatibility. The performances of these modulation techniques are compared with those obtained by other modulation techniques that achieved the same CMV peak-to-peak amplitude reduction. In addition, the electromagnetic distortion is reduced without compromising the converter’s performance and its harmonic distortion. Third, this thesis proposes a group of five-phase sigma-delta modulation techniques specially designed to generate a constant CMV: the five-phase sigma-delta constant common-mode voltage (5PΣΔ-CCMV) modulations. These modulation techniques implement a set of voltage vectors that produce the same CMV value, thus eliminating the CMV level transitions and improving the converter’s electromagnetic performance. This performance is achieved without affecting the converter’s efficiency and harmonic distortion. Finally, this thesis proposes a five-phase six-leg modulation techniques for CMV reduction and fault tolerance based on sigma-delta modulators (3D5PΣΔ). Leg six of the converter is connected to the load neutral point, if accessible, or through LC filters connected to the rest of the VSI phases. This proposed modulation technique allows a decrease of the CMV amplitude (3D5PΣΔ-RCMV) or makes it zero (3D5PΣΔ-ZCMV). Also, this proposed modulation strategis can be used, in motor applications, as fault tolerance strategies for one open-phase fault. With this strategy, the current phasors return to their original position. The main advantage of the proposed modulation algorithm is its easy implementation. Whereas other fault tolerance modulation strategies use complex duty cycle equations and different sets of vectors to select the proper voltage vector, using sigma-delta modulators in the proposed fault tolerance modulation strategy simplifies this choice.

(Español) El creciente interés por los sistemas eléctricos multifásicos ha hecho que se utilicen cada vez más en la tracción eléctrica, la generación de energías renovables, la transmisión de energía y diversas aplicaciones industriales. Este creciente interés surge de las ventajas que los sistemas eléctricos multifásicos tienen sobre los sistemas trifásicos convencionales, entre las que se encuentran menores requerimientos de corriente por fase, más grados de libertad, mejor tolerancia a fallos y mayor fiabilidad. Esta tesis aborda el diseño y funcionamiento de un inversor de fuente de tensión (VSI) de dos niveles y cinco fases basado en semiconductores de amplio ancho de banda. Los semiconductores de amplio ancho de banda, como el carburo de silicio, permiten mejorar la densidad de potencia y la eficiencia en los diseños de VSI. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar nuevas técnicas de modulación que funcionen con semiconductores de amplio ancho de banda operando a altas frecuencias. Las técnicas de modulación propuestas tienen en cuenta diversos desempeños, como las pérdidas de potencia en los semiconductores del convertidor, la calidad de la forma de onda de la tensión salida, la forma de onda de tensión en modo común y la generación de interferencias electromagnéticas conducidas. Además, el VSI contará con una rama adicional para aplicaciones de tolerancia a fallos. La presente propuesta de tesis presenta las siguientes cuatro contribuciones: En primer lugar, esta tesis propone dos nuevas técnicas de modulación sigmadelta para un VSI de cinco fases y dos niveles (5PΣΔ-1 y 5PΣΔ-2). La técnica de modulación 5PΣΔ-1 aplica los mismos vectores de tensión que las técnicas SVM de cinco fases convencionales, mientras que la técnica 5PΣΔ-2 utiliza todos los vectores de tensión disponibles. Se estudian, evalúan y comparan el desempeño del convertidor bajo estas técnicas de modulación con el obtenido mediante el uso de técnicas de modulación convencionales para cinco fases. Esta comparación tiene en cuenta la distorsión armónica de la tensión de salida, la eficiencia del convertidor, las interferencias electromagnéticas generadas y la tensión en modo común (CMV). Además, se evalúan los efectos de utilizar vectores de tensión pequeños en las técnicas de modulación propuestas (5PΣΔ-2). En segundo lugar, esta tesis presenta un grupo de técnicas de modulación sigmadelta de cinco fases diseñadas para mitigar los efectos del CMV: las modulaciones sigma-delta de reducción de tensión en modo común de cinco fases (5PΣΔ-CMVR). Estas técnicas de modulación utilizan un conjunto de vectores de tensión que reducen la amplitud pico a pico del CMV en un 80%. Además, se reduce el número de transiciones de nivel CMV durante un periodo de la frecuencia de conmutación, mejorando así la compatibilidad electromagnética. Las prestaciones de estas técnicas de modulación se comparan con las obtenidas por otras técnicas de modulación que consiguen la misma reducción de la amplitud pico a pico del CMV. Además, se reduce la distorsión electromagnética sin comprometer el rendimiento del convertidor ni su distorsión armónica. En tercer lugar, esta tesis propone un grupo de técnicas de modulación sigmadelta de cinco fases especialmente diseñadas para generar una CMV constante: las modulaciones sigma-delta de tensión en modo común constante de cinco fases (5PΣΔ-CCMV). Estas técnicas de modulación implementan un conjunto de vectores de tensión que producen el mismo valor de CMV, eliminando así las transiciones de nivel de CMV y mejorando el rendimiento electromagnético del convertidor. Este rendimiento se consigue sin afectar a la eficiencia del convertidor ni a la distorsión armónica. Por último, esta tesis propone una técnica de modulación de cinco fases y seis ramas para la reducción del CMV y tolerancia a fallos basada en moduladores sigma-delta (3D5PΣΔ). La rama seis del convertidor se conecta al punto neutro de la carga, si es accesible, o a través de filtros LC conectados al resto de fases del VSI. Esta técnica de modulación propuesta permite disminuir la amplitud de la CMV (3D5PΣΔ-RCMV) o hacerla nula (3D5PΣΔ-ZCMV). Además, esta estrategia de modulación propuesta puede utilizarse, en aplicaciones de motores, como estrategia para tolerancia a fallos de una fase abierta. Con esta estrategia, los fasores de corriente vuelven a su posición original. La principal ventaja del algoritmo de modulación propuesto es su fácil implementación. Mientras que otras estrategias de modulación de tolerancia a fallos utilizan complejas ecuaciones de ciclo de trabajo y diferentes conjuntos de vectores para seleccionar el vector de tensión adecuado, el uso de moduladores sigma-delta en la estrategia de modulación de tolerancia a fallos propuesta hace mas simple esta elección.