Enabling Short-term Over-current Capability for SiC Power Modules and its Application for Power Flow Controllers in HVDC Grids
Tid: Må 2025-04-28 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Elektro- och systemteknik
Respondent: Shubhangi Bhadoria , Elkraftteknik
Opponent: Professor Dimosthenis Peftitsis, NTNU, Department of electric energy Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Trondheim, Norway
Handledare: Professor Hans-Peter Nee, Elkraftteknik; Frans Dijkhuizen, Hitachi Energy, Västerås, Sweden
QC 20250331
Abstract
Med den ökande integrationen av förnybar energi i elsystemet ökar behovet på överströmstålighet. Fram till att ett fel i nätet har avhjälpts måste effektomvandlare i elsystemet kunna tåla överströmmar utan att bortkopplas av sina interna skydd. Denna tid är vanligtvis 200 ms. I denna avhandling föreslås olika tekniker att snabbt leda bort den av överströmmar generade värmen från kiselkarbid (SiC)-enheter. Detta förlänger den tid enheten kan hantera överström. Nämnda tekniker inkluderar användning av värmeabsorberande material, mikrokanalkylning (MC) på chipets ovansida och undersida samt intermittent höjning av gate-spänningen. Slutsatsen är att vilken kylmetod som helst (förutom gate-spänningshöjning) ger högst överströmstålighet när den implementeras på chipets ovansida. Mikrokanalkylning har potential att höja tillåten överströmsvaraktighet till några sekunder, beroende på konstruktionen av MC-blocket. På samma sätt förbättras överströmståligheten avsevärt genom att använda koppar som värmeabsorberande material på chipets ovansida och undersida (med ett stort kopparblock), upp till några sekunder, beroende på överströmmens storlek. Även en ökning av metalliseringens tjocklek på chipets ovansida kan leda till en förbättrad överströmstålighet. Implementering av kylning på ovansidan kan dock kräva särskilda modifieringar av kraftmodulen.
En tillämpning för kraftmoduler med förbättrad överströmstålighet är effektflödesstyrdon (PFC) i högspända likströmsnät (HVDC-nät). Med en ökande maskning i nätet minskar styrbarheten och flexibiliteten att styra ström och effekt i ett HVDC-system. Genom att injicera än förhållandevis låg spänning kan ett effektflödesstyrdon förändra strömfördelningen i ett maskar HVDC-nät. Existerande topologier har studerats i detalj med hjälp av PLECS-simuleringar och jämförts med avseende på antal kondensatorer, styrningsbegränsningar, kurvformer för de spänningar som injiceras av effektflödesstyrdonet i ledningarna, antal komponenter, strömriktning, topologins enkelhet, total effekthalvledar-märkeffekt och förluster samt skydd av topologierna mot externa fel. En ny kretstopologi har föreslagits. Dessutom har interna och externa felfall för den föreslagna topologin och dess skyddskretsar undersökts i detalj med hjälp av PLECS-simuleringar. Simuleringarna har verifierats med en nedskalad prototyp i laboratoriet. Simuleringar och experiment har jämförts genom användning av ett per-unit-system, och de experimentella resultaten överensstämmer med simuleringsresultaten.