Bauleistungsvergleich und Neutralpunkt-Balancierung für 3-Level-Wechselrichtertopologien für den Einsatz in Elektrofahrzeugen

Brüske, Stephan

In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit einer Batterie als Energiespeicher und einem Drehstrommotor wird Leistungselektronik zur Wandlung der Batteriegleichspannung in eine entsprechende Wechselspannung benötigt. Hierzu ist mindestens ein Wechselrichter notwendig, der im motorischen Betrieb die geforderte Fahrleistung bereitstellt und im generatorischen Betrieb die Bremsenergie zurück in die Batterie speist. In dieser Arbeit werden zwei 3-Level-Wechselrichtertopologien für den Einsatz als Antriebswechselrichter im Elektrofahrzeug analysiert und mit der in heutigen Elektrofahrzeugen vorwiegend eingesetzten 2-Level-Wechselrichtertopologie verglichen. Hierzu wird als Bewertungskriterium für die Chipfläche der Leistungshalbleiter die Bauleistung verwendet, deren Konzept in dieser Arbeit auf 3-Level-Wechselrichtertopologien erweitert wird. Des Weiteren wird das Kriterium der Bauleistung für die Auslegung für einen definierten Arbeitsbereich vorgestellt. Anhand der Bauleistung und dem Wirkungsgrad werden die drei Wechselrichtertopologien exemplarisch für verschiedene Konfigurationen des elektrischen Antriebsstranges verglichen. Außerdem wird die Auslegung im Anfahrmoment für die drei Wechselrichtertopologien untersucht und für die 3-Level-Wechselrichtertopologien spezielle Schaltreihenfolgen zur gleichmäßigen Verteilung der Verluste auf die Leistungshalbleiter aufgezeigt. Die als Prototyp realisierten 3-Level-Wechselrichtertopologien werden im Hinblick auf den Wirkungsgrad experimentell untersucht. Als ein wesentlicher Nachteil der beiden 3-Level-Wechselrichtertopologien ist die Notwendigkeit der Balancierung des Neutralpunkt-Potentials zu nennen, die in jedem Betriebspunkt sicherzustellen ist. Es wird ein Verfahren vorgestellt, welches die Balancierung des Neutralpunkt-Potentials durch Veränderung der Ansteuersignale ermöglicht und dabei in den nicht-kritischen Arbeitspunkten eine im Vergleich zum Referenzverfahren niedrigere Ausgangsstromwelligkeit aufzeigt.

Power electronics is necessary in electrically driven vehicles with a battery and a three-phase motor for the conversion of the DC battery voltage into an AC motor voltage. The minimum basic configuration consists of an inverter which generates the desired AC voltage from the DC battery voltage during motor operation and vice-versa during generator mode. In this thesis, two 3-level inverter topologies are investigated for the application as drive inverter in electric vehicles and compared with the standard 2-level inverter topology. For the comparison of the semiconductor area, the criteria of the virtual power design rating is applied which is extended to 3-level inverters in this thesis. Additionally, the concept of the virtual power design rating is extended so that the inverter can be designed for a prede- fined operation area. The comparison of the three inverter topologies is done for different exemplarily chosen drive train topologies on the basis of the criteria of the virtual power design rating and the inverter efficiency. Furthermore, the design of the inverter topologies will be investigated for zero-speed operation. Different switching sequences for 3-level inverter topologies will be investigated regarding the potential of an equal loss distribution on the power semiconductors at zero-speed operation. Finally, the experimental results of the efficiency measurements of the two 3-level inverter topologies are presented. One main drawback of 3-level inverters is the necessity to balance the neutral-point potential which must be guaranteed for stationary and dynamic operations. A new method is presented which is able to balance the neutral point potential by online adaption of the modulation signals with a lower harmonic distortion at non-critical operation points in comparison to the reference method. The presented method can be configured individually regarding the required output performance and the maximum allowed voltage fluctuation of the DC link voltages.

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Brüske, Stephan: Bauleistungsvergleich und Neutralpunkt-Balancierung für 3-Level-Wechselrichtertopologien für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. 2016.

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