Asociación en serie de transistores IGBT para conmutación de alta tensión con bajas pérdidas

Abstract

El surgimiento de aplicaciones de conversión en alta tensión ha creado la tendencia de uso de asociaciones en serie de dispositivos semiconductores. Las asociaciones en serie permiten operar con tensiones de bloqueo superiores a la tensión nominal de cada elemento semiconductor. El principal reto en estas topologías es garantizar el balance de tensión entre cada dispositivo tanto en bloqueo como en conmutación. La mayoría de los métodos propuestos para mitigar los desbalances de tensión estáticos y dinámicos incrementan las pérdidas en el dispositivo. En esta tesis se presenta una nueva topología para asociación en serie de IGBTs en la cual se reducen los desbalances de tensión, disminuyendo las pérdidas por conmutación. La topología consta de un circuito que asegura una conmutación suavizada en cada IGBT y un circuito auxiliar que permite recuperar energía desde el lado de alta tensión hacia la fuente de suministro de los controladores de compuerta. El principio de funcionamiento de la topología es expuesto y la validación mediante simulación y con prototipo experimental para tres módulos es realizada. La topología muestra un excelente desempeño tanto en la conmutación al encendido como en la conmutación al apagado en cada dispositivo. Los desbalances estáticos y dinámicos de tensión y las pérdidas por conmutación obtenidos son reducidos. Los desbalances estáticos de tensión se limitaron al 1 % y se presentan diferencias muy bajas entre pendientes de tensión colector-emisor en las conmutaciones. Las pérdidas por conmutación se reducen en un 40 % en comparación con una configuración que presenta conmutación forzada

The emergence of high voltage conversion applications has created a trend of using semiconductor device series associations. Series associations allow for operation at blocking voltages, which are higher than the nominal voltage for each semiconductor device. The main challenge with these topologies is finding a way to guarantee voltage balance between devices in both blocking and switching transients. Most methods that have been proposed to mitigate static and dynamic voltage unbalances result in increased losses within the device. This thesis introduces a new series stack topology, in which voltage unbalances are reduced, thus mitigating switching losses. The topology consists of a circuit that ensures the soft switching of each device, and one auxiliary circuit that allows switching energy recovery. The principle for topology operation is presented and an experimental test is performed for three modules. The topology performs excellently for switching transients on each device. Voltage static unbalances were limited to 1%, and very low differences between collector-emitter voltages are obtained in the switching. Switching losses are thus reduced by 40%, as compared to hard switching configurations