[논문 리뷰] Power Loss Modelling of GaN HEMT based 3L ANPC Three Phase Inverter for different PWM Techniques

M. Cacciato, G. Aiello외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 10.

Silicon Carbide Semiconductor Technologies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 GaN HEMT 기반 3레벨 활성 중성점 클램프형(3L ANPC) 3상 인버터에 대한 분석적 전력 손실 모델링 방법을 제안하며, 다양한 PWM 기법에서의 도핑 손실 및 스위칭 손실을 평가한다. 이 방법은 장치 데이터와 부하 조건을 이용해 손실 분포를 정확하게 예측하며, 최소한의 계산 부담으로 실시간 시뮬레이션을 통해 검증된다.

ABSTRACT

The paper presents a straightforward modelling approach to compute the power loss distribution in GaN HEMT based three phase and three level (3L) active neutral point clamped (ANPC) inverters, for different pulse width modulated techniques. Conduction and switching losses averaged over each PWM switching period are analytically computed by starting from the operating conditions of the AC load and data of GaN power devices. The accuracy of the proposed analytical approach is evaluated through a circuit based power electronics simulation tool, applied to different carrier-based PWM strategies.

연구 동기 및 목표

• GaN HEMT 기반 3L ANPC 3상 인버터의 전력 손실을 체계적이고 정확하게 계산하는 방법을 개발하기 위해.
• 다양한 PWM 기법이 인버터의 총 전력 손실 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 초기 단계의 인버터 설계 시 분석 모델을 활용해 빠르고 신뢰할 수 있는 손실 추정을 가능하게 하기 위해.
• 다양한 캐리어 기반 PWM 전략에 대해 분석 모델을 회로 기반 시뮬레이션 결과와 검증하기 위해.
• 산업 및 자동차 응용 분야에서 GaN HEMT를 사용한 고효율 전력 변환 시스템 설계를 지원하기 위해.

제안 방법

• 분석 모델은 각 PWM 스위칭 주기 동안 평균화된 도핑 손실 및 스위칭 손실을 계산한다.
• 손실는 AC 부하 운용 조건과 제조사에서 제공한 GaN HEMT 장치 데이터에서 유도된다.
• 모델은 On 상태 손실과 스위칭 손실(켜짐 및 끄짐 에너지 구성 요소 포함)을 모두 고려한다.
• 이 방법은 스페이스 벡터 및 정현법 PWM을 포함한 다양한 캐리어 기반 PWM 전략에 적용된다.
• 회로 기반 파wer 전자 도구를 사용한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 분석 예측을 검증한다.
• 이 방법은 전체 하드웨어 테스트 없이도 다양한 PWM 기법 간의 손실 성능을 효율적으로 비교할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 PWM 기법은 GaN HEMT 기반 3L ANPC 인버터의 총 전력 손실 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 분석 모델은 GaN HEMT 인버터의 도핑 손실 및 스위칭 손실을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 다양한 변조 전략 하에서 도핑 손실과 스위칭 손실의 상대 기여도는 어떠한가?
• RQ4 정확도와 계산 효율성 측면에서 제안된 분석 모델은 시뮬레이션 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 GaN HEMT를 사용하는 3L ANPC 인버터에서 총 전력 손실를 최소화하는 데 가장 효과적인 PWM 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 분석 모델은 회로 기반 시뮬레이션 결과와 강한 일치를 보이며, 손실 예측의 정확성을 입증한다.
• 고주기 스위칭에서 스위칭 손실이 지배적이며, 고부하 전류에서는 도핑 손실이 더 두드러진다.
• 선택된 PWM 기법은 총 손실에 큰 영향을 미치며, 특정 전략은 다른 전략 대비 최대 15%까지 손실을 감소시킨다.
• 모델을 통해 다양한 PWM 기법 간의 손실 성능을 신속하게 비교할 수 있어 최적의 전략 선택을 지원한다.
• 이 방법은 계산 효율성이 뛰어나 GaN 기반 인버터의 초도 설계 및 최적화에 적합하다.
• 결과는 분석적 손실 모델을 활용해 GaN HEMT를 사용하는 고효율 3L ANPC 인버터 설계가 가능하다는 것을 입증한다.