[論文レビュー] Power Loss Modelling of GaN HEMT based 3L ANPC Three Phase Inverter for different PWM Techniques

M. Cacciato, G. Aiello+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2022

Silicon Carbide Semiconductor Technologies被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、GaN HEMTを用いた3レベルアクティブネガティブポイントクラamped（3L ANPC）3相インバーターにおける解析的損失モデル化手法を提示する。この手法は、複数のPWM技術における導通損失およびスイッチング損失を評価するものであり、デバイス仕様および負荷条件を用いて損失分布を正確に予測する。シミュレーションを用いた検証により、キャリアベースPWM戦略において計算コストが最小限に抑えられる。

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.

研究の動機と目的

• GaN HEMTを用いた3L ANPC 3相インバーターにおける損失を体系的かつ正確に計算するための手法を開発すること。
• 異なるPWM技術がインバーター全体の損失分布に与える影響を評価すること。
• 初期段階のインバーター設計において、解析モデルを用いて迅速かつ信頼性の高い損失推定を可能にすること。
• 複数のキャリアベースPWM戦略に対して、回路ベースのシミュレーション結果と照合して解析的モデルを検証すること。
• 産業および自動車分野におけるGaN HEMTを用いた高効率電力変換システムの設計を支援すること。

提案手法

• 解析的モデルは、各PWMスイッチング周期における導通損失およびスイッチング損失の平均値を計算する。
• 損失はAC負荷の動作条件およびメーカー提供のGaN HEMTデバイス仕様から導出される。
• モデルはオン状態損失およびスイッチング損失（オン・オンとオフ・オフのエネルギー成分を含む）の両方を考慮する。
• 本手法は、空間ベクトルPWMおよび正弦波PWMを含む、さまざまなキャリアベースPWM戦略に適用可能である。
• 回路ベースのパワー電子工学ツールを用いたシミュレーション結果を用いて、解析的予測の妥当性を検証する。
• 本手法により、フルスケールのハードウェアテストを実施せずに、異なるPWM技術間での損失性能を効率的に比較可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるPWM技術は、GaN HEMTを用いた3L ANPCインバーターにおける総損失分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 解析的モデルは、GaN HEMTインバーターにおける導通損失およびスイッチング損失をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 さまざまな変調戦略下で、導通損失とスイッチング損失の相対的寄与度はいかほどか？
• RQ4 本手法で提示された解析的モデルは、シミュレーション結果と比較して、正確性および計算効率の点でどの程度優れているか？
• RQ5 GaN HEMTを用いた3L ANPCインバーターにおいて、どのPWM戦略が総損失を最小化するか？

主な発見

• 提示された解析的モデルは、回路ベースのシミュレーション結果と強く一致しており、損失予測の正確性が裏付けられた。
• 高周波スイッチングではスイッチング損失が支配的となるが、高負荷電流下では導通損失の寄与度が高まる。
• 選択されたPWM戦略は総損失に顕著な影響を及ぼし、他の戦略と比較して最大15％の損失低減が達成可能である。
• 本モデルにより、複数のPWM技術間での損失性能を迅速に比較可能となり、最適な戦略選定を支援する。
• 本手法は計算的にも効率的であり、GaNベースインバーターの初期段階設計および最適化に適している。
• 本研究の結果は、GaN HEMTを用いた高効率3L ANPCインバーターの設計を支援する解析的損失モデルの実現可能性を示している。