This master thesis is based on realization of the previous university project, design of locomotive reconstruction and solving accompanying problems. In this thesis there are described all parts of a converter. The end of thesis involved theory about driver circuits of power transistors IGBT. Nowadays is still more often to think about reconstruction of the old technology rather than design a complete new construction. Investors take this decision from the financial reasons and because to the old technology designer can add only the converter. In this instant we talk about electrical locomotive, there should be kept a supply transformer and a driving unit (DC engine). The aim of this thesis is to design the converter between these two basic parts. The converter must taking the quasi-sinusoidal current which is in the phase with the input voltage, also must be able to control the engine and recuperate energy back to the network. For realization of these conditions, the converter must contain the active rectifier working in the DC-link and from which the step-down DC/DC converter is fed. Converter output is connected to the driving unit. The digital control of the power transistors is provided by processor MOTOROLA DSP56F. The control impulses, switching the power transistors, go through the driver circuits to transistors. All problems are described in the following text.

Tato disertační práce se zabývá využitím programovatelných hradlových polí (FPGA) v diagnostice měničů, využívajících spínaných IGBT tranzistorů. Je zaměřena na budiče těchto výkonových tranzistorů a jejich struktury. Přechodné jevy veličin, jako jsou IG, VGE, VCE během procesu přepínání (zapnutí, vypnutí), mohou poukazovat na degradaci IGBT. Pro měření a monitorování těchto veličin byla navržena nová architektura budiče IGBT. Rychlé měření a monitorování během přepínacího děje vyžaduje vysokou vzorkovací frekvenci. Proto jsou navrhovány paralelní vysokorychlostní AD převodníky (> 50 MSPS). Práce je zaměřena převážně na návrh zařízení s FPGA včetně hardware a software. Byla navržena nová deska plošných spojů s FPGA, která plní požadované funkce, jako je řízení IGBT pomocí vícenásobných paralelních koncových stupňů, monitorování a diagnostiku, a propojení s řídicí jednotkou měniče.

Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός κυκλώματος οδήγησης ενός Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη και κατασκευή ενός κυκλώματος Τριφασικού Αντιστροφέα Πηγής Τάσης, ο οποίος θα επιτρέπει την υλοποίηση βαθμωτού και διανυσματικού ελέγχου της λειτουργίας του Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης. Στην παρούσα διπλωματική εργασία υλοποιήθηκε βαθμωτός έλεγχος της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής του δρομέα (με σταθερό λόγο V/f), ανοιχτού και κλειστού βρόχου. Όσον αφορά το Σύγχρονο Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης, τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον σχετικά με τη βελτιστοποίηση της κατασκευής του, καθώς και του ελέγχου της λειτουργίας του μέσω διαφόρων μεθόδων ελέγχου. Το κυριότερο χαρακτηριστικό του συγκεκριμένου κινητήρα αποτελεί η έλλειψη οποιασδήποτε μορφής διέγερσης στον δρομέα. Επομένως, η δημιουργούμενη ροπή οφείλεται αποκλειστικά στη λεγόμενη ροπή μαγνητικής αντίδρασης, από την οποία προέρχεται και η ονομασία του κινητήρα. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, γίνεται μια εισαγωγή στους κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος, ενώ η ανάλυση επικεντρώνεται στον προαναφερθέντα κινητήρα, προσεγγίζοντάς τον από διάφορες πλευρές (κατασκευαστικά χαρακτηριστικά, μαθηματικό μοντέλο, σύγκριση με άλλους τύπους κινητήρων). Επιπλέον γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του Τριφασικού Αντιστροφέα Πηγής Τάσης, ο οποίος χρησιμοποιείται για την οδήγηση του κινητήρα, καθώς και της τεχνικής Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών, η οποία χρησιμοποιείται για την παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Η προσομοίωση του κινητήρα ήταν το επόμενο βήμα για την καλύτερη κατανόηση της δυναμικής απόκρισης του κινητήρα. Η παρούσα διπλωματική εργασία συνεχίζεται με την αναφορά στο σχεδιασμό και την κατασκευή των απαραίτητων κυκλωμάτων, ενώ ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στο μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε στην υπάρχουσα εργασία, καθώς και στο πρόγραμμα που δημιουργήθηκε για τις λειτουργίες ανοιχτού και κλειστού βρόχου. Τέλος, η ολοκλήρωση της διπλωματικής εργασίας έρχεται μέσω της παρουσίασης των πειραματικών αποτελεσμάτων, στα οποία έγινε χρήση των κατασκευασθέντων κυκλωμάτων. / This Thesis is focused on the study and development of a Drive System for the Synchronous Reluctance Motor. This work was conducted in the laboratory of Electromechanical Energy Conversion, at the department of Electrical and Computer Engineering, in the University of Patras, Greece. The main purpose of this project was the study and construction of a three Phase Voltage Source Inverter for the control of the performance of a Synchronous Reluctance Motor by the implementation of Scalar and Vector control. In this thesis, a scalar V/f control scheme was applied, both open and closed loop, for the control of the rotational speed of the rotor. As far as the Synchronous Reluctance Motor is concerned, in the latest years a great interest has emerged around this motor, which mainly focuses in the optimization of its construction and control. The main feature of this motor is that the rotor does not have any field winding. By this way, the output torque is produced only by the so called reluctance torque. In this work, an introduction on the AC motor is done, while the main interest is focused on the already mentioned motors. The analysis of this motor covers many aspects, such as the construction characteristics, the mathematical model of the motor, as well as a comparison with other popular motors. Moreover, the three Phase Inverter is studied, since it is used for the control of the motor. Also, there is an extended reference on the Pulse Width Modulation technique, which is used for the control of power devices. In the next chapters, the simulation of this motor is presented, since it is necessary fot the understanding of its dynamic behavior. In the following, an analysis on the design and construction of the required printed circuit boards is done, while the microcontroller which was used is presented in a more detailed way. The flowacharts of the open and closed loop control methods of the rotational speed are also given. Finally, the experimental results for both cases are presented and analysed.

Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung eines neuartigen Phasenbausteins mit der Topologie des Dreipunkt – Neutral Point Clamped – Stromrichters mit Spannungszwischenkreis (3L-NPC-VSC) für Windkraftanwendungen. Wichtige Anforderungen an den Phasenbaustein und daraus resultierende Herausforderungen, sowie Lösungen für ausgewählte Teilprobleme werden präsentiert. Um die Vorteile des 3L-NPC-VSC für Hersteller von Windkraftanlagen zugänglich zu machen, ist es sinnvoll, einen neuartigen Phasenbaustein zu entwickeln. Der Phasenbaustein soll einfach in Systeme zu integrieren sein, in denen gegenwärtig Zweipunktstromrichter (2L-VSC) zum Einsatz kommen. Da sich Modulation, Zwischenkreisbalancierung und Kurzschlussschutz vom 2L-VSC unterscheiden, soll der Phasenbaustein diese Herausforderungen eigenständig bewältigen. Die Arbeit beschreibt die Konzeption eines solchen Phasenbausteins und behandelt insbesondere die Modulation, die Zwischenkreisbalancierung und den Kurzschlussschutz des 3L-NPC-VSC. Ein Vergleich verschiedener Modulationsverfahren wurde durchgeführt und die am besten geeigneten Verfahren für die Implementation in den Phasenbaustein ausgewählt. Eine Anforderung war, dass dieser Signale einer übergeordneten Regelung verarbeiten kann, welche für einen 2L-VSC berechnet wurden. Ein Überblick der Zwischenkreisbalancierungsverfahren zeigte, dass nahezu alle den Nachteil einer zusätzlich benötigten Strommessung haben. Die Untersuchung einer neuen an der Professur Leistungselektronik der TU Dresden entwickelten Methode ohne den Bedarf der Strommessung zeigte, dass diese anwendbar ist. Der Algorithmus wurde simuliert, implementiert und experimentell getestet und zeigte gute Resultate. Die Aufgabe eines komplett unabhängigen Kurzschlussschutzes war die schwierigste. Alle möglichen Fehler innerhalb eines Moduls wurden analysiert und kategorisiert. Einige Fehlertypen können innerhalb einer Phase behandelt werden. Entsprechende Algorithmen wurden entwickelt und getestet. Allerdings gibt es Fehlertypen, die nicht durch die Steuerung einer einzelnen Phase behandelt werden können. Eine schnelle Kommunikation zwischen den drei Phasen des Konverters wäre notwendig. Alternativ könnte eine übergeordnete Steuerung diese Fehler behandeln. Zum Schluss wurde ein Demonstrator des Phasenbausteins aufgebaut und experimentell untersucht. Einige Messergebnisse werden gezeigt, um die Funktion zu verifizieren.

Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung eines neuartigen Phasenbausteins mit der Topologie des Dreipunkt – Neutral Point Clamped – Stromrichters mit Spannungszwischenkreis (3L-NPC-VSC) für Windkraftanwendungen. Wichtige Anforderungen an den Phasenbaustein und daraus resultierende Herausforderungen, sowie Lösungen für ausgewählte Teilprobleme werden präsentiert. Um die Vorteile des 3L-NPC-VSC für Hersteller von Windkraftanlagen zugänglich zu machen, ist es sinnvoll, einen neuartigen Phasenbaustein zu entwickeln. Der Phasenbaustein soll einfach in Systeme zu integrieren sein, in denen gegenwärtig Zweipunktstromrichter (2L-VSC) zum Einsatz kommen. Da sich Modulation, Zwischenkreisbalancierung und Kurzschlussschutz vom 2L-VSC unterscheiden, soll der Phasenbaustein diese Herausforderungen eigenständig bewältigen. Die Arbeit beschreibt die Konzeption eines solchen Phasenbausteins und behandelt insbesondere die Modulation, die Zwischenkreisbalancierung und den Kurzschlussschutz des 3L-NPC-VSC. Ein Vergleich verschiedener Modulationsverfahren wurde durchgeführt und die am besten geeigneten Verfahren für die Implementation in den Phasenbaustein ausgewählt. Eine Anforderung war, dass dieser Signale einer übergeordneten Regelung verarbeiten kann, welche für einen 2L-VSC berechnet wurden. Ein Überblick der Zwischenkreisbalancierungsverfahren zeigte, dass nahezu alle den Nachteil einer zusätzlich benötigten Strommessung haben. Die Untersuchung einer neuen an der Professur Leistungselektronik der TU Dresden entwickelten Methode ohne den Bedarf der Strommessung zeigte, dass diese anwendbar ist. Der Algorithmus wurde simuliert, implementiert und experimentell getestet und zeigte gute Resultate. Die Aufgabe eines komplett unabhängigen Kurzschlussschutzes war die schwierigste. Alle möglichen Fehler innerhalb eines Moduls wurden analysiert und kategorisiert. Einige Fehlertypen können innerhalb einer Phase behandelt werden. Entsprechende Algorithmen wurden entwickelt und getestet. Allerdings gibt es Fehlertypen, die nicht durch die Steuerung einer einzelnen Phase behandelt werden können. Eine schnelle Kommunikation zwischen den drei Phasen des Konverters wäre notwendig. Alternativ könnte eine übergeordnete Steuerung diese Fehler behandeln. Zum Schluss wurde ein Demonstrator des Phasenbausteins aufgebaut und experimentell untersucht. Einige Messergebnisse werden gezeigt, um die Funktion zu verifizieren.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 1.3 Inhalt der Arbeit 2 Stromrichter für Windkraftanlagen 2.1 Stand der Technik 2.1.1 Zweipunktstromrichter mit Spannungszwischenkreis 2.1.2 Dreipunkt-Neutral-Point-Clamped-Stromrichter mit Spannungszwischenkreis 2.1.3 Kommerziell verfügbare Stromrichter für WKA 2.2 Vollumrichterlösung mit erhöhter Ausgangsspannung 2.2.1 Motivation und Anforderungen 2.2.2 Vereinfachter Vergleich von Zwei- und Dreipunktstromrichtern 2.3 Herausforderungen bei der Realisierung des 3L-NPC-VSC 3 Struktur und Funktion eines neuartigen 3L-NPC-Phasenbausteins 3.1 Struktur und Schnittstellen 3.1.1 Stand der Technik für 3L-NPC Phasenbausteine 3.1.2 Neuartiger 3L-NPC-VSC-Phasenbaustein 3.2 Realisierung 3.2.1 Anforderungen 3.2.2 Technische Realisierung 3.3 Experimentelle Verifikation 3.3.1 Versuchsstand 3.3.2 Messergebnisse 4 Modulation und Zwischenkreisbalancierung eines 3L-NPC-VSC 4.1 Modulationsarten im Überblick 4.1.1 Trägerbasierte Modulation für den 3L-NPC-VSC 4.2 Ausgewählte Modulation für den neuartigen Phasenbaustein 4.2.1 Zweipunktraumzeigermodulation in einem Trägerband 2L-SVM 4.2.2 Dreipunktraumzeigermodulation 3L-SVM 4.3 Stand der Technik bei Zwischenkreisbalancierungsverfahren 4.4 Die direkte Totzeitregelung zur Zwischenkreisbalancierung 4.4.1 Theoretische Grundlagen 4.4.2 Simulative Verifikation der direkten Totzeitregelung 4.4.3 Experimentelle Verifikation der DDTC 5 Kurzschlussschutz eines 3L-NPC-VSC-Phasenbausteins 5.1 Versuchsstand I5.2 Kurzschlussfehler einer 3L-NPC-VSC-Phase 5.2.1 Kategorisierung der Kurzschlüsse 5.2.2 Untersuchte Bauteilfehler innerhalb einer 3L-NPC-VSC-Phase 5.3 Kurzschlussbehandlungsmethoden 5.3.1 Stand der Technik 5.3.2 Schutzmaßnahmen für 3L-NPC-VSC 5.4 Analyse von Kurzschlüssen und Ableitung von Behandlungsmaßnahmen 5.4.1 Fehler eines äußeren IGBTs 5.4.2 Fehler eines inneren IGBTs 5.4.3 Fehler einer Clampdiode 5.5 Maßnahmen zur sicheren Behandlung von Kurzschlüssen in 3L-NPC-VSC 6 Zusammenfassung

Die Arbeit beschreibt verschiedene technische Ansätze zur Bestimmung der Alterung der Chip-Substrat-Verbindung. Eine der Schlüsseltechnologien ist hierbei die Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur. Es werden in der Arbeit verschiedene Möglichkeiten zur Bestimmung der virtuellen Chiptemperatur von IGBTs und der Alterung der Chip-Substrat-Verbindung vorgestellt und mit ihren Vor- und Nachteilen in der Umsetzbarkeit und in der Anwendbarkeit im Umrichter diskutiert. Besondere Betrachtung findet dabei unter anderem die technische Umsetzung einer Messmethode, die auf einer kurzzeitigen Belastung im aktiven Bereich mit anschließender Bestimmung des Abkühlverhaltens basiert. Über einen Vergleich mit dem ursprünglichen Abkühlverhalten ist es mit den vorgestellten Verfahren gut möglich, die Chipalterung zu detektieren. Weiterhin wird ein Verfahren vorgestellt, das die Bestimmung der virtuellen Chiptemperatur im Umrichter über eine Ermittlung der Millerplateauhöhe im Abschaltmoment des IGBTs ermöglicht.:1 Einleitung 2 Alterung von Leistungshalbleitern 3 Stand der Technik der Chiptemperaturbestimmung in der Umrichterschaltung 4 Untersuchungen temperaturabhängiger elektrischer Bauelementparameter 5 Wichtige Verfahren zur Bestimmung der Chiptemperatur in der Umrichterschaltung 6 Untersuchung eines Verfahrens zur Bestimmung der Chiptemperatur in der Umrichterschaltung mittels Millerplateauhöhe 7 Technische Umsetzbarkeit der gezeigten Messverfahren 8 Zusammenfassung und Ausblick A Anhang / This work describes different technical approaches to determine the aging of the chip-substrate interconnection. One of the key technologies here is the determination of the virtual junction temperature. Various possibilities for determining the virtual chip temperature of IGBTs and the aging of the chip-substrate interconnection are presented in the work and discussed with their advantages and disadvantages in terms of feasibility and applicability in the converter. Special consideration is given to the technical implementation of a measurement method based on a short-term load in the active area with subsequent determination of the cooling behavior. By comparing this with the original cooling behavior, it is possible to detect chip aging with the methods presented. Furthermore, a method is presented that enables the determination of the virtual chip temperature in the inverter via a determination of the Miller plateau height at the switch-off moment of the IGBT.:1 Einleitung 2 Alterung von Leistungshalbleitern 3 Stand der Technik der Chiptemperaturbestimmung in der Umrichterschaltung 4 Untersuchungen temperaturabhängiger elektrischer Bauelementparameter 5 Wichtige Verfahren zur Bestimmung der Chiptemperatur in der Umrichterschaltung 6 Untersuchung eines Verfahrens zur Bestimmung der Chiptemperatur in der Umrichterschaltung mittels Millerplateauhöhe 7 Technische Umsetzbarkeit der gezeigten Messverfahren 8 Zusammenfassung und Ausblick A Anhang

This master’s thesis goes into design of particular circuits for three phase inverter. Inverter’s control is ensured by digital signal controller MC56F8013 with his program. Principle of control is suggested for individual motors. Inverter design considerate universal use and capability for any three phase motor. Particular blocks are compatible each other.

Radio frequency oscillations up to several hundreds of MHz were observed during turn-off the high-current conducting IGBTs. They are described in this work as Transient Avalanche oscillations. Other than PETT oscillations that happen in the tail current phase, this oscillation appears during the rise of collector-emitter voltage VCE and during the fall of the collectoremitter current ICE. The turn-off process of IGBTs are investigated with the help of measurements, the circuit- and device-simulations to reveal the working mechanisms of transient high-frequency oscillations. For the first time the Transient Avalanche Oscillation is successfully reproduced with computer simulation, which allows the further investigation on the influences of individual parameters. The participation of IMPATT mechanism in Transient Avalanche oscillation is demonstrated. The interaction between IMPATT mechanism und PETT mechanism during the setting up of depletion region in IGBTs was investigated. Measures to suppress such oscillation are discussed on the levels of chip design, module design and the driver concept. Supplying electron current during critical phase is found to be an effctive method to avoid the dynamic avalanche and the TA-oscillation. / Radio Frequenz Oszillationen bis zu mehreren hundert MHz wurden während des Abschaltens von Hochstrom leitenden IGBTs beobachtet. Sie werden in dieser Arbeit als Transient Avalanche Oscillationen beschrieben. Anders als PETT Oszillationen, die in der Tail-Strom Phase vorkommen, erscheint diese Oszillation während des Anstiegs der Kollektor-Emitter-Spannung VCE und des Fallens des Kollektor-Emitter Stroms ICE. In dieser Arbeit werden die Abschaltvorgänge von IGBTs mit Hilfe von Messungen, Schaltungs- bzw. Device-Simulationen untersucht, um die Wirkungsmechanismen der transient erscheinenden hochfrequenten Oszillationen zu erklären. Es ist erstmals gelungen solche Transient Avalanche Oszillationen mit der Simulation zu reproduzieren und anschließend die Einflüsse einzelner Parameter zu untersuchen. Die Beteiligung des IMPATT Mechanismus an der Transient Avalanche Oszillation wurde nachgewiesen. Die Interaktion von IMPATT und PETT während Aufbau der Raumladungszone im IGBT wurde untersucht. Maßnahmen zur Unterdrückung der Oszillation werden auf den Ebenen von Chip-Design, Modulauslegung und der Treiberschaltung diskutiert. Das Zuführen des Elektrostromes während der kritischen Phase wird als ein effective Methode zur Vermeidung der TA-Oscillation nachgewiesen.