This thesis project focuses on the simulation, design, hardware realization, and performance evaluation of a Three-phase Three-level (3-L) Sparse Neutral Point Clamped Converter (SNPCC) for Industrial Variable Speed Drives (VSDs). The basic operating principle of the SNPCC is briefly described based on switching functions. Accordingly, the modulation strategies as a combination of switching sequences are introduced. Three representative strategies are selected to be verified in this project. Afterward, active and passive components are selected based on analytical analysis mainly focusing on semiconductors losses, AC-side differential mode and common mode stresses. Meantime, the analytical analysis enables a straightforward performance comparison among the selected modulation strategies. Additionally, the reverse recovery process in the anti-parallel diode is identified, of which the energy losses are calculated. A calorimetric method is adopted in this project, which allows accurate temperature rise monitoring and provides a reliable way to measure the power losses generated by semiconductors. Eventually, an 800V 7.5kW prototype is constructed and put under test. The performance of the designed SNPCC is therefore evaluated and compared from losses and AC-side flux-linkage ripples perspectives, with the promising features highlighted and limits indicated. / Projektet fokuserar på simulering, konstruktion, hårdvarutillverkning och utvärdering av en trefas tre-nivå (3-L) Sparse Neutral Point Clamped Converter (SNPCC) för industriella varvtalsstyrda motordrifter (VSD). SNPCC:s grundläggandefunktionsprincip beskrivs kortfattat utifrån så kallade switchningsfunktioner. Därefter introduceras moduleringsstrategierna som en kombination av switchningssekvenser. Tre representativa strategier har valts ut för att verifieras i detta projekt. Därefter väljs aktiva och passiva komponenter på grundval av en analys som främst fokuserar på halvledarförluster och ledningsbundna störningar på växelsströmssidan. Analysen gör det möjligt att göra en enkel jämförelse av prestanda mellan de valda moduleringsstrategierna. Dessutom identifieras body-diodens återhämtningsprocess och energiförlusterna beräknas. I detta projekt används en kalorimetrisk förlustberäkning, som möjliggör noggrann övervakning av temperaturökningen och ger ett tillförlitligt sätt att mäta energiförlusterna i effekthalvledarna. Slutligen konstrueras och testas en 800V 7.5kW-prototyp. Prestandan hos den konstruerade SNPCC:n utvärderas med hänseende till förluster och flödesrippel på växelströmssidan. Fördelarna för den föreslagna tekniken lyfts fram och begränsningarna anges.

This thesis is an effort to investigate the operation and the performanceof modular multilevel converters (M2Cs). Proven to be the most promisingtopology in high-voltage high-power applications, it is necessary to put aneffort in understanding the physical laws that govern the internal dynamicsof such converters, in order to design appropriate control methods. AlthoughM2Cs belong to the well-studied family of voltage-source converters (VSCs),and claim a modular structure, their control is significantly more complicatedcompared to two- or three-level VSCs, due to the fact that a much highernumber of switches and capacitors are needed in such a topology. This thesishighlights the important parameters that should be considered when designingthe control for an M2C, through analyzing its internal dynamics, and alsosuggests ways to control such converters ensuring stable operation withoutcompromising the performance of the converter.Special focus is given on ac motor-drive applications as they are very demandingand challenging for the converter performance. Interactions betweenthe internal dynamics and the dynamics of the driven motor are experimentallyinvestigated. The problem of operating the converter when connectedto a motor standing still is visited, even under the condition that a greatamount of torque and current are requested, in order to provide an idea forthe converter requirements under such conditions. Finally, an optimization ofthe converter operation is suggested in order to avoid overrating the convertercomponents in certain operation areas that this is possible.All analytical investigations presented in this thesis are confirmed by experimentalresults on a laboratory prototype converter, which was developedfor the purposes of this project. Experimental verification proves the validityof the theoretical investigations, as well as the correct performance of thecontrol methods developed during this project on a real, physical converter,hoping that the results of this thesis will be useful for large-scale implementations,in the mega- or even giga-watt power range. / Denna avhandling är ett försök att undersöka drift och egenskaper avmodulära multinivåomvandlare (M2C:er). Eftersom denna topologi anses varaden mest lovande inom högspänings-högeffekt-tillämpningar är, och somett underlag för att kunna formulera lämpliga styrmetoder, är det nödvändigtatt lägga kraft i att försöka förståde fysikaliska lagar som styr den inredynamiken i sådana omvandlare. Även om M2C:erna tillhör den välstuderadefamiljen av spänningsstyva omvandlare (VSC:er), och har en modulärstruktur, är deras reglering avsevärt mer komplicerad jämfört med två- ellertre-nivåomvandlare, eftersom ett mycket större antal switchar och kondensatorerär nödvändiga i en sådan topologi. Denna avhandling sätter fingretpå de parametrar som måste beaktas när man konstruerar regleringen för enM2C, genom att analysera den interna dynamiken, samt att föreslå sätt attstyra sådana omvandlare såatt stabil drift kan säkerställas utan att negativtpåverka prestanda.Ett speciellt fokus läggs på växelströmsmotordrifter eftersom de är särskiltutmanande vad gäller prestanda. Växelverkan mellan den interna dynamikenoch motorns dynamik undersöks experimentellt. Problemet att driva motornvid stillestånd behandlas även i fallet med hög ström och högt moment för atterhålla kunskap om kraven påomvandlaren i sådana fall. Slutligen föreslås enoptimering av omvandlarens drifttillstånd för att undvika överdimensioneringav omvandlarens komponenter i de fall detta är möjligt.Alla analytiska undersökningar som läggs fram i denna avhandling är bekräftadegenom experimentella resultat från en laboratorieomvandlare, somutvecklats inom ramen för detta arbete. Den experimentella verifieringen bevisargiltigheten av alla teoretiska undersökningar. Den visar också på demycket goda prestanda som de utvecklade styrmetoderna har vid drift aven verklig fysisk omvandlare. Förhoppningen är att resultaten från detta arbetekan komma till använding i storskaliga implementerinar i mega- ellergiga-wattklassen. / <p>QC 20141201</p>