Development of silicon carbide power converters with grid code compatibility

In this Ph.D. dissertation, the utilization of Silicon Carbide (SiC) power devices in a grid connected photovoltaic (PV) inverter is investigated. Advanced control techniques for ensuring compliance with the interconnection Standards and the new grid code requirements are also developed. A thorough investigation of the conduction and switching properties of the newly introduced semiconductor devices is initially carried out. Emphasis is placed on the characterization of SiC Junction Field Effect Transistors (JFETs) and Metal Oxide Field Effect Transistors (MOSFETs) during third-quadrant operation and reverse recovery. The study is also focused on the response of the SiC power transistors in hard switch faults and faults under load conditions. Special attention is given on the effect of the parasitic inductance on the short circuit progression. A destructive test is performed in order to obtain the short circuit withstand capability and the failure mechanism of each type of semiconductor. Experiments conducted with both Si and SiC devices show the superiority of the latter in terms of system efficiency, stability and endurance in high power and confirm the ruggedness that SiC devices exhibit outside their safe operating area. A universal, ac–coupled driving circuit applicable to both normally-on and normally-off SiC semiconductors is proposed, utilizing forward bias during conduction state. The prototype is investigated in terms of efficiency, considering both conduction and switching losses. The theoretical results are experimentally validated, while advantages over alternative gate drive circuits are recorded. An advanced overcurrent protection scheme is also proposed, able to address gate drive power failure and prevent the overvoltage caused by an abrupt turn-off of the short circuit current. The proposed driving and protection circuits constitute the basic structure of the developed grid connected, three phase, all-SiC PV inverter. Advanced phase locked loop (PLL) techniques are implemented, in discrete time, in the digital controller and tested under grid disturbances, such as phase voltage sags and frequency fluctuations. The exceptional dynamic response of the developed proportional-resonant (PR) current controller during abrupt changes of the active and reactive power references is validated through simulations in Matlab/Simulink and experimental testing in the 5 kW PV inverter prototype. In addition, new control strategies for meeting the Fault Ride Through (FRT) requirements, according to the latest grid codes, are developed and experimentally tested. The proposed control technique offers voltage support capability during symmetrical and asymmetrical voltage sags, while the output current is kept within the predefined limits and the dc-link voltage overshoot is mitigated.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η αξιοποίηση των ημιαγωγικών διακοπτών καρβιδίου του πυριτίου (SiC) σε μετατροπείς ισχύος διασυνδεδεμένων φωτοβολταϊκών (Φ/Β) σταθμών. Παράλληλα, αναπτύσσονται εξελιγμένες στρατηγικές ελέγχου για την εξασφάλιση της συμβατότητας με τα πρότυπα διασύνδεσης στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και τους σύγχρονους κώδικες δικτύου. Πραγματοποιείται διεξοδική μελέτη της συμπεριφοράς των ημιαγωγών SiC, τόσο στη μόνιμη κατάσταση αγωγής όσο και κατά τις διακοπτικές μεταβάσεις. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στον χαρακτηρισμό των ημιαγωγών επίδρασης πεδίου ένωσης (JFETs) και των τρανζίστορ επίδρασης πεδίου μονωμένης πύλης (MOSFETs) σε λειτουργία τρίτου τεταρτημόριου και ανάστροφης αποκατάστασης. Η μελέτη επικεντρώνεται στην καταγραφή και ανάλυση της απόκρισης των διακοπτικών στοιχείων SiC σε σφάλματα βραχυκύκλωσης. Ιδιαίτερη προσοχή δίδεται στην επίδραση της παρασιτικής αυτεπαγωγής του κυκλώματος στον τρόπο εξέλιξης του φαινομένου βραχυκύκλωσης. Διεξάγονται διαδοχικά πειράματα βραχυκύκλωσης αυξανόμενης διάρκειας για την καταγραφή της ανθεκτικότητας και του μηχανισμού διάσπασης των διαφόρων τύπων ημιαγωγικών διακοπτών SiC. Τα πειραματικά αποτελέσματα αποδεικνύουν την υπεροχή των ημιαγωγών SiC, έναντι των συμβατικών διακοπτών πυριτίου, από πλευράς απόδοσης, σταθερότητας και αντοχής σε σφάλματα. Επιπλέον, προτείνεται ένα γενικευμένο κύκλωμα οδήγησης, εφαρμόσιμο σε τρανζίστορ ισχύος SiC τόσο μόνιμης κατάστασης αποκοπής (normally-off) όσο και μόνιμης κατάστασης αγωγής (normally-on), η αρχή λειτουργίας του οποίου βασίζεται στην ορθή πόλωση της επαφής πύλης-πηγής. Η αποτελεσματικότητα του κυκλώματος αξιολογείται έχοντας ως κριτήριο την ελαχιστοποίηση των απωλειών αγωγής και των διακοπτικών απωλειών. Τα θεωρητικά αποτελέσματα επικυρώνονται μέσω πειραματικών μετρήσεων, ενώ αναδεικνύονται τα πλεονεκτήματα της προτεινόμενης διάταξης έναντι των συμβατικών κυκλωμάτων οδήγησης. Επίσης, προτείνεται ένα εξελιγμένο κύκλωμα αναγνώρισης και εκκαθάρισης σφαλμάτων υπερέντασης, το οποίο παράλληλα, προστατεύει τους ημιαγωγούς SiC από απώλεια της τροφοδοσίας και από υπέρταση λόγω απότομης διακοπής του ρεύματος βραχυκύκλωσης. Τα προτεινόμενα κυκλώματα οδήγησης και προστασίας αποτελούν τα βασικά δομικά στοιχεία του τριφασικού αντιστροφέα υψηλής απόδοσης, ο οποίος σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε με ημιαγωγικούς διακόπτες SiC, για τη διασύνδεση της Φ/Β γεννήτριας στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Προηγμένες τεχνικές κλειδώματος φάσης (PLL) υλοποιούνται σε ψηφιακό μικροεπεξεργαστή, η αποτελεσματικότητα των οποίων εξετάζεται σε συνθήκες διαταραχών του δικτύου, όπως βυθίσεις τάσεως και διακυμάνσεις συχνότητας. Η εξαιρετική δυναμική απόκριση του ελεγκτή ρεύματος (PR) σε απότομες μεταβολές των μεγεθών αναφοράς (ενεργός και άεργος ισχύς) επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιώσεων στο Matlab/Simulink, καθώς και πειραματικών δοκιμών στον πρωτότυπο Φ/Β αντιστροφέα, ονομαστικής ισχύος 5 kW. Παράλληλα, μελετώνται και αναπτύσσονται τεχνικές ελέγχου για την ικανοποίηση των απαιτήσεων αδιάλειπτης λειτουργίας του Φ/Β σταθμού υπό συνθήκες σφάλματος, σύμφωνα με τους σύγχρονους κώδικες δικτύου. Η προτεινόμενη διάταξη ελέγχου εφαρμόζεται στο πρωτότυπο σύστημα. Ανταποκρίνεται αποτελεσματικά στις απαιτήσεις υποστήριξης της τάσης δικτύου σε συνθήκες τριφασικών και ασύμμετρων βυθίσεων, προκαλώντας ελάχιστη υπερύψωση του ρεύματος εξόδου, μικρή διακύμανση της τάσης του dc-ζυγού, και ικανοποιητική δυναμική απόκριση