Search

© 2022 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works. With the aim to increase standardization, reduce the cost, and obtain advanced performance features, the design of voltage-source power converter legs can be undertaken by combining several instances of a standard switching cell, properly connected in active neutral-point-clamped structures to reach the desired voltage and current ratings. These switching cells can be organized into switching-cell arrays. This design approach introduces several degrees of freedom into the design. Namely, the different options to interconnect the cells and the distribution of switching losses among these cells. This article aims to define an optimization problem to explore this design space. The design problem is formulated in different scenarios, involving different conversion configurations (dc-dc and dc-ac), different leg number of levels (two and three), and different types of available cells (standard and conduction-optimized in combination with switching-optimized). A weighted objective function is then defined in terms of leg simplicity, efficiency, and reliability. The value of the design variables that minimize the objective function with different sets of weighting factors are obtained under selected scenarios and operating conditions, to illustrate the flexibility of the converter design approach under study. The solution of the optimization problem is obtained using a surrogate optimization algorithm in MATLAB, well suited to quickly solve optimization problems involving a combination of integer design variables (the number of parallel switching cells in each converter leg position) and continuous design variables (the proportion of switching losses taken by each cell), together with linear and nonlinear constraints.

En el present Treball de Fi de Grau s’explica el procés de disseny, construcció i prova d’una cel·la de commutació de 600 V, un dispositiu innovador en el camp dels convertidors electrònics de potència multinivell, enfocat sobretot al sector de l’automoció. El treball s’emmarca dins d’un projecte amb l’objectiu final de crear diferents convertidors de potència utilitzant un únic tipus de cel·la de commutació. A l’inici del treball es disposava del prototip d’una cel·la de commutació de 100 V, de la qual s’ha partit com a base pel nou disseny. El treball realitzat comença en aquest punt i es tracta de diferents tasques que s’han anat realitzant en el transcurs de totes les etapes del projecte. El primer objectiu és donar suport al GREP en el procés de disseny del nou prototip, ajudant en la projecció de l’esquemàtic i en la cerca i simulació de nous components. Per això, la primera tasca realitzada ha estat l’estudi i comprensió de la cel·la de commutació i les seves parts, la qual està explicada en el present treball. El segon objectiu és el de dissenyar i construir nous dispositius auxiliars necessaris per a les proves del prototip. En total s’han projectat i fabricat dues plaques de circuit imprès (PCB) que han estat usades en les proves al laboratori. Aquest punt cobreix gran part del cos del treball on s’explica la funcionalitat, esquemàtic, disseny PCB, prova i verificació de les dues plaques. El tercer objectiu, és el de donar suport al GREP en el procés de proves experimentals del prototip, participant en el muntatge i recollida de resultats, cosa que també ha servit per verificar el funcionament de les plaques auxiliars dissenyades. Finalment, com a objectiu addicional s’ha aprofundit en el circuit de processat lògic del prototip, dissenyant una alternativa que permet estalviar espai en el disseny final, així com abaratir costos de fabricació, millorar l’eficiència del prototip i tenir millor control dels senyals dins de la placa. Al finalitzar el treball, tots els objectius proposats s’han complert de manera exitosa: el disseny de la nova cel·la de commutació ha estat fabricat i provat al laboratori utilitzant les plaques auxiliars dissenyades; s’ha pogut comprovar així tant la funcionalitat del nou prototip com de les plaques auxiliars utilitzades en les proves experimentals En el presente Trabajo de Fin de Grado se explica el proceso de diseño, construcción y prueba de una celda de conmutación de 600 V, un dispositivo innovador en el campo de los convertidores electrónicos de potencia multinivel, enfocado principalmente al sector de la automoción. El trabajo se enmarca dentro de un proyecto con el objetivo final de crear diferentes convertidores de potencia utilizando un único tipo de celda de conmutación. Al inicio del trabajo se disponía de un prototipo de celda de conmutación de 100 V, del cual se ha partido como base para el nuevo diseño. El trabajo realizado comienza en este punto y consta de diferentes tareas que se han ido realizando en el transcurso de las etapas del proyecto. El primer objetivo es dar apoyo al GREP en el proceso de diseño del nuevo prototipo, ayudando en la proyección del esquemático y en la búsqueda y simulación de nuevos componentes. Para ello, la primera tarea realizada ha sido el estudio y comprensión de la celda de conmutación y sus partes, la cual está explicada en el presente trabajo. El segundo objetivo es el de diseñar y construir nuevos dispositivos auxiliares necesarios para las pruebas del prototipo. En total se han proyectado y fabricado dos placas de circuito impreso (PCB) que han sido usadas en las pruebas en el laboratorio. Este punto cubre gran parte del cuerpo del trabajo donde se explica la funcionalidad, esquemático, diseño PCB, prueba y verificación de las dos placas. El tercer objetivo es el de dar apoyo al GREP en el proceso de pruebas experimentales del prototipo, participando en el montaje y recopilación de resultados, lo que ha servido para verificar el funcionamiento de las placas auxiliares diseñadas. Finalmente, se ha profundizado en el circuito de procesamiento lógico del prototipo, diseñando una alternativa que permite ahorrar espacio en el diseño final, así como abaratar costes de fabricación, mejorar la eficiencia del prototipo y tener mejor control de las señales dentro de la placa. Al finalizar el trabajo, todos los objetivos propuestos se han cumplido de manera exitosa: el diseño de la nueva celda de conmutación ha sido fabricado y probado en el laboratorio utilizando las placas auxiliares diseñadas; verificando así tanto la funcionalidad del nuevo prototipo como la de las placas auxiliares utilizadas en las pruebas experimentales In this Final Degree Project, the process of designing, constructing, and testing a 600 V switching cell is explained. It is an innovative device in the field of multilevel power electronic converters, primarily focused on the automotive sector. The work is part of a project with the ultimate goal of creating different types of power convertors using only one type of switching cell. A 100 V switching cell prototype has served as the basis for the new design. The work done begins at this point and consists of different tasks that have been performed throughout the stages of the project. The first objective is to support GREP in the design process of the new prototype, assisting in schematic projection and the search and simulation of new components. Therefore, the first task has been the study and understanding of the switching cell and its parts, which is explained in this paper. The second objective is to design and build new auxiliary devices necessary for the prototype testing. A total of two printed circuit boards (PCBs) have been designed and manufactured, which have been used in the laboratory tests. This section covers a significant part of the work, explaining the functionality, schematic, PCB design, testing, and verification of the two boards. The third objective is to support GREP in the experimental testing process of the prototype, participating in the assembly and data collection, which has also served to verify the operation of the designed auxiliary boards. Finally, an in-depth study has been conducted on the logical processing circuit of the prototype, designing an alternative that allows for space savings in the final design, as well as reducing manufacturing costs, improving the prototype's efficiency, and providing better signal control within the board. This proposal has been simulated to ensure compliance with the specifications. Upon completion of the work, all proposed objectives have been successfully achieved: the design of the new switching cell has been manufactured and tested in the laboratory using the designed auxiliary boards, thereby verifying both the functionality of the new prototype and the auxiliary boards used in the experimental tests

Dada la gran electrificación que se está viviendo en el mundo, los convertidores de potencia son esenciales en el desarrollo de las actividades de la vida moderna. Son fundamentales para asegurar el buen flujo energético entre los agentes del sistema eléctrico. Su utilidad se asemeja a la del corazón en el ser humano, este bombea sangre con la cantidad requerida de nutrientes y oxígeno a las distintas partes del cuerpo. Los convertidores, transforman la energía eléctrica en la forma y cantidad requerida por los distintos aparatos eléctricos conectados. Se encuentran prácticamente en todos los sectores: movilidad, energía, telecomunicaciones, sanidad... A su vez, se considera que los procedimientos más utilizados para realizar esta tarea se encuentran en un estado consolidado de la tecnología. Sin embargo, aún existe una gran ventana para el progreso hacia una mayor versatilidad, modularidad y estandarización, con el propósito de poder aplicar la misma tecnología, dispositivos, diseño y fabricación en cualquier aplicación. Una forma de conseguir esto último es el desarrollo de los convertidores multinivel. El objetivo principal del proyecto es probar una rama de un convertidor multinivel que utiliza una tecnología desarrollada por el Grup de Recerca en Electrònica de Potència (GREP) durante más de 20 años para realizar conversiones de cualquier tipo. Una de sus últimas estrategias de diseño, fundamentada en las Switching-Cell Array (SCA), consiste en construir el convertidor usando unas celdas de conmutación optimizadas. La implementación multinivel es de tipo enclavamiento a punto neutro y se comprueba su buen funcionamiento para el caso de tres niveles operando como regulador de continua. Además, incorpora un modo de control nuevo de tipo jerárquico, dividido en dos etapas, que simplifica la operación del convertidor y permite su estandarización. Entre otras cosas, el control permite poder distribuir una parte de las pérdidas de conmutación de los dispositivos semiconductores. Para cumplir con lo comentado, se ha realizado el montaje de las placas y celdas de la rama, verificando cada una de ellas, y se han conectado entre sí para constituir el convertidor y probar la operatividad del conjunto. Se ha programado el control de primera etapa mediante una herramienta de prototipado rápido (dSPACE). La verificación experimental ha permitido demostrar el buen funcionamiento del conjunto bajo todas las condiciones, así como su interesante capacidad para distribuir las pérdidas, observando variaciones significativas en la distribución de las temperaturas con respecto al funcionamiento de referencia. Estos resultados son prometedores ya que el regulador construido verifica la posibilidad de realizar convertidores a través de esta tecnología estándar y escalable, así como la efectividad del nuevo sistema de control Donada la gran electrificació que s'està vivint en el món, els convertidors de potència són essencials en el desenvolupament de les activitats de la vida moderna. Són fonamentals per a assegurar el bon flux energètic entre els agents del sistema elèctric. La seva utilitat s'assembla a la del cor en l'ésser humà, que bomba sang amb la quantitat requerida de nutrients i oxigen a les diferents parts del cos. Els convertidors transformen l'energia elèctrica en la forma i quantitat requerida pels diferents aparells elèctrics connectats. Es troben pràcticament en tots els sectors: mobilitat, energia, telecomunicacions, sanitat... Actualment, es considera que els procediments més utilitzats per a fer aquesta tasca es troben en un estat consolidat de la tecnologia. No obstant això, encara existeix una gran finestra per al progrés cap a una major versatilitat, modularitat i estandardització, amb el propòsit de poder aplicar la mateixa tecnologia, dispositius, disseny i fabricació en diferents aplicacions. Una manera d'aconseguir això últim és el desenvolupament dels convertidors multinivell. L'objectiu principal del projecte és provar una branca d'un convertidor multinivell que utilitza una tecnologia desenvolupada pel Grup de Recerca en Electrònica de Potència (GREP) durant més de 20 anys per a realitzar conversions de qualsevol tipus. Una de les seves darreres estratègies de disseny, fonamentada en les Switching-Cell Array (SCA), consisteix en construir el convertidor fent ús d'unes cel·les de commutació optimitzades. La implementació multinivell és de tipus enclavament a punt neutre i es comprova el seu bon funcionament per al cas de tres nivells operant com a regulador de contínua. A més, incorpora una mode de control nou de tipus jeràrquic, dividit en dues etapes, que augmenta la facilitat d'interacció amb l’usuari per configurar el mode de treball. Entre altres coses, el control permet distribuir una part de les pèrdues de commutació dels dispositius semiconductors. Per a complir amb el comentat, s'ha realitzat el muntatge de les plaques i cel·les de la rama, verificant cadascuna d'elles, i s'han connectat entre si per a constituir el convertidor i provar l'operativitat del conjunt. S’ha programat el control de primera etapa mitjançant una eina de prototipatge ràpid (dSPACE). La verificació experimental ha permès demostrar el bon funcionament del conjunt sota totes les condicions, també ha constatat la seva interessant capacitat per a distribuir les pèrdues, observant variacions significatives en la distribució de les temperatures respecte a un funcionament de referència. Aquests resultats són prometedors ja que el regulador construït verifica la possibilitat de realitzar convertidors a través d'aquesta tecnologia estàndard i escalable, així com l’efectivitat del nou sistema de control Given the great electrification that is taking place in the world, power converters are essential in the development of modern life activities. As they are fundamental to ensure a good energy flow between the different constituents of the electrical system. Their operation principle is similar to that of the human heart, which pumps blood with the required amount of nutrients and oxygen to the different parts of the body. Converters transform electrical energy into the form and quantity required by the electrical devices connected. They are used practically everywhere: in mobility, energy, telecommunications, healthcare... At the same time, the most commonly used procedures to perform this task are considered to be a consolidated technology. However, there is still a large window for progress towards greater ersatility, modularity and standardization, with the purpose of being able to apply the same technology, devices, design and manufacturing in any application. One way to achieve that is the development of multilevel converters. The main objective of the project is to test a branch of a multilevel converter using the technology developed by the Power Electronics Research Group (GREP) for more than 20 years to perform any conversion. One of their latest design strategies, based on Switching-Cell Array (SCA), consists on building the converter using optimized switching cells. Multilevel neutral-point clamped topology is used and its performance is tested as a three-level direct current (DC) regulator. In addition, it uses a new hierarchical control, divided into two stages, which simplifies the operation of the converter and allows its standardization. Among other things, the control enables to distribute part of the switching losses of the semiconductor devices. In order to comply with the above, the control board, the power board and the SCAs have been assembled, verified and connected to each other to constitute the branch. The first stage controller has been programmed by means of a rapid prototyping tool (dSPACE). Experimental verification has proven the good performance of the converter under all conditions, as well as its interesting capacity to distribute the losses, noticing significant variations in the distribution of the temperatures with respect to the reference performance. These results are promising since the controller built verifies the possibility of realizing converters through this standard and scalable technology, as well as the effectiveness of the new control system