Design of fault-tolerant cascaded H-bridge multilevel inverter with output-side transformers using bidirectional switches

Abstract

Şehir elektrik şebekesinden uzak bölgeler için, özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanarak yerel-yerinde elektrik üretimi ideal çözümlerden biridir. Ancak üretilen bu elektriksel enerjinin kullanılabilmesi için, elektrikli cihazların çalışma koşullarıyla uyumlu olması gerekmektedir. Bu gerekliliği sağlamak için en yaygın kullanılan cihazlardan biri de eviricilerdir. 1980'li yılların başında gerilimi merdiven basamağı şeklinde sentezleyebilen çok-seviyeli eviricilerin hayatımıza girmesi ile çok-seviyeli eviriciler ve klasik iki-seviyeli eviriciler arasında amansız bir yarış başlamıştır. Çok-seviyeli eviriciler iki seviyeli eviriciler ile kıyaslandığında, herhangi bir filtre ünitesi kullanmadan düşük anahtarlama frekanslarında çok düşük toplam harmonik bozunma değerlerine sahip AC sinyaller üretebilirler. Çok-seviyeli eviriciler içinde kaskat H-Köprü eviriciler modüler yapıları ve kolaylıkla çıkış sinyalinin seviyesini artırmaya izin vermeleri ile ön plana çıkmaktadırlar. Buna karşın çok-seviyeli eviricilerde fazla sayıda yarı-iletken eleman bulunması, sistemde hata oluşma olasılığı artmaktadır. Bu durumda tüm sistemin uzun sureli olarak durması sorunu gerçekleşmektedir. Böylesi durma sorunları, özellikle hastane gibi hayati öneme sahip yapılar ve sistemin uzun sureli durması ile büyük maddi zarara uğrayabilecek işletmeler için kritik ve ciddi bir probleme neden olmaktadır. Bu tez çalışmasında, belirtilen probleme çözüm seçeneği adayı olarak, hata toleranslı, tek DC kaynaklı, çıkış trafolu, 15 seviyeli kaskat H-Köprü evirici tasarımı ve yeniden yapılandırma tekniğinin uygulaması sunulmaktadır. Tasarlanan çok-seviyeli evirici sistemi, H-Köprü modüllerinden herhangi birinde hata meydana gelmesi durumunda bir gerilim seviyesi azalarak çalışmasını sürdürebilmektedir. Çift-yönlü anahtar çeşitleri olan Diyot-Köprü MOSFET ve Ortak Kaynaklı MOSFET'ler ayrı ayrı tasarlanan sistemde kullanılarak çıkış gerilimi ve akımı üzerinden kalite parametrelerine göre farklı yükler altında kıyaslamaları yapılmıştır. Tasarlanan sistem MATLAB-SIMULINK simülasyon ortamında test edilmiştir.

Local electricity production from renewable energy sources, seems to be one of the ideal solutions for the areas away from electrical grid of the cities. However, the produced energy must be conditioned. One of the most needed devices for this purpose is the inverter. After invention of multilevel inverter, which syntheses the voltage as a staircase waveform, a though competition has been started between the multilevel inverters and classic two-level inverters. Multilevel inverters can achieve very low THD values at low switching frequencies without using any filtering units when compared with classic two-level inverters. Among the multilevel inverters cascaded H-Bridge inverters comes to the fore by modularity and letting to increase the level of the system easily. However, multilevel inverters use high number of semiconductor elements, which increases the probability of any fault in the circuit, which may cause the whole system stopping for a long time. In this thesis, as a candidate solution for the problem mentioned above, a fault-tolerant cascaded H-Bridge quasi-eight-level multilevel inverter with a single DC source and with output side transformers is designed and application of reconfiguration technique is shown. The proposed inverter system can continue working if a fault occurs in one of H-Bridges with a one level decrement in the output voltage in quarter period. The proposed system is tested in MATLAB-SIMULINK and comparisons are made by using two types of bi-directional switches, Diode-Bridge (DB) MOSFET and Common-Source (CS) MOSFETs, up to the quality parameters, under no-fault and fault conditions with different loads.