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Design, control and analysis of a novel multilevel converter with a reduced switch count

Norambuena, Margarita

Inst. Energie- und Automatisierungstechnik

Multilevel converters are used in a wide range of applications, such as drives, energy conversion and distributed generation. This Thesis proposes a new multilevel converter topology that allows increasing the number of output voltage levels with a fewer required power semiconductors than in standard multilevel topologies such as Active Neutral Point Clamped (ANPC), Flying Capacitor Converter (FCC) and Stacked Multicell Converter (SMC). The proposed topology consists of a cascaded connection of basic units called main cells, which are composed of three power switches, one flying capacitor and two output switches for each output phase. In this Thesis, the comparisons are made between the proposed topology and conventional topologies such as ANPC and SMC. Points of comparison include the required number of power switches, voltage stress across the switches, power distribution, capacitors' size and energy storage. To verify the performance of the proposed multilevel topology, extensive simulations and experimental studies were carried out on a 3-phase 5-level converter.
Mehrstufige Wechselrichter finden ein breites Anwendungsspektrum. Sie werden beispielsweise als Antriebsumrichter, in der Energieversorgung oder für verteilte Erzeugungsanlagen genutzt. Verglichen mit etablierten Schaltungen wie dem Active Neutral Point Clamped (ANPC) Converter, dem Flying Capacitor Converter (FCC) oder dem Stacked Multicell Converter (SMC) erreicht die in dieser Arbeit vorgestellte, neuartige Umrichter-Topologie eine erhöhte Stufenzahl der Ausgangsspannung bei reduzierter Anzahl an benötigten Leistungsschaltern. Die vorgeschlagene Topologie besteht aus einer kaskadierten Verbindung aus Basiszellen, den ,,Main Cells’’ und jeweils zwei Leistungsschaltern für jede Ausgangsphase. Die Basiszellen sind aus drei Leistungsschaltern und einem Flying Capacitor aufgebaut. Sie erzeugen eine variable Zwischenkreisspannung für die angeschlossenen Ausgangsphasen. In dieser Arbeit wird ein Vergleich zwischen der vorgestellten Topologie und den etablierten Schaltungen ANPC, FCC und SMC durchgeführt. Die Vergleichskriterien beinhalten die Anzahl an benötigten Leistungshalbleitern, die Sperrspannung über den einzelnen Schaltern, die Verlustleistungsverteilung sowie die in den Kondensatoren gespeicherte Energie und deren Kapazität. Die Verhaltensweisen der vorgeschlagenen Topologie werden in umfangreichen Simulationen und experimentellen Untersuchungen eines dreiphasigen 5-Level Wechselrichters analysiert.