Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………………….. [629417]

1
CUPRINS

Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 2

Capitolul 1. P rincipalele moduri de defectiuni ………………………….. ………………………….. …………… 5
1.1. Clasificarea esecur ilor catastrofale ale IGBT -urilor ………………………….. ………………………. 5
1.2. Mecanismele de esec ale IGBT -urilor ………………………….. ………………………….. …………….. 6
1.3. Protectia cu sigurante fuzibile a modulelor IGBT ………………………….. …………………………. 8

Capitolul 2 . Sisteme tolerante la defecte ………………………….. ………………………….. ……………………. 9
2.1. Definiții și metrici (valori) de comparație ………………………….. ………………………….. ………… 9
2.2. Dispozitivul redundant ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 10
2.3. Redundanta de faza ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 14
2.4. Convertor redundat de stare ………………………….. ………………………….. …………………………. 24

Capitolul 3 . Simulari ale topologiilor redundante la erori ………………………….. ………………………. 25
3.1. Inverto rul trifazat de tensiune cu patru brațe fara conectare la punctul de mijloc al legaturii
de condensataore. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 25
3.1.1. Structura redun danta la primul defect. ………………………….. ………………………….. …….. 25
3.1.2. Structura redundanta la al doilea defect ………………………….. ………………………….. …… 28
3.2. Invertorul trifazat de tensiune cu patru brațe, avand topologie redundantă a fazei, cu
folosirea a trei triace conectate la brațul de rezervă. ………………………….. ………………………….. . 29
3.3. Invertorul 3L -FC ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 31

2
Introducere

În următorul deceniu, vectorul "electricitate" va juca un rol dominant în toate sectoarele
industriale moderne ale societății noastre. Nu există, sau foarte puține, arii tehnologice care pot
pretinde că se dezvoltă în mod substanțial și competitiv fără a se baza direct pe energia electrică.
Acest lucru este în mod incontestabil cazul atunci când eficiența energetică și performanța
funcțională trebuie să ajungă simultan la optim. Prezentat în toate sectoarele industriale
convenționale (industria grea, procesele și transformarea, transportul, energia electrică),
tehnologiile elect rice au tendința acum și în viitor să pătrundă în sectoare mai sensibile și de înaltă
tehnologie.
Sectoare extrem de critice și solicitante din punct de vedere tehnologic, cum ar fi energia
nucleară staționară (boilerul pentru centrale nucleare) și energia nucleară (nave și submarine
nucleare).
În aeronavele mai electrice, majoritatea suprafețelor de zbor sunt echipate cu dispozitive
de acționare electro -hidrostatice. O fiabilitate ridicată este obligatorie, combinată cu strategiile de
manipulare a defectel or pentru invertorul VS, care face parte din importanța crucială a acestui
echipament, controlând fluxurile de putere și performanțele.

Fig.1 Aplicatii ale invertoarelor

In general unitatile industriale consista din mai multe parti cum ar fi convertoru l de putere
electronic, un controller digital, senzor de feedback etc. Un defect in oricare dintre aceste parti va
opri functionarea unitatii sau poate afecta performanta acestuia. Unele aplicatii critice cum ar fi
centralele electrice, locomotivele ferov iare, indus tria aerospatiala, automobilele etc. unde toleranta

3
la defect a unitatilor este foarte importanta. Pentru o instalație de procesare industrială, o defecțiune
la o singură unitate poate duce la deteriorarea extraordinară a materialelor și a mașinilor. Costu l
de urmărire din cauza unei erori poate însuma o sumă imensă. Așadar, toleranța la greseală este
zona de mare interes pentru soluția modernă de acționare [1].
În toate aceste sectoare avansate, se pare că performanțele energetice și funcționale nu mai
sunt obiectivele unice ale proiectanților: fiabilitatea componentelor electronice, siguranța în
exploatare a dispozitivelor electrice și, în general, disponibilitatea sistemelor predominant electrice
[1] 2], sunt chestiuni esențiale de proiectare care trebuie abordate, astfel încât această schimbare
tehnologică către "all -electric" nu este numai de succes și durabilă, ci este o sursă de progres social
și are un impact economic puternic.
Această viziune prospectivă arată că siguranța sistemelor electrice critic e devine o zonă
esențială și strategică. Este importanta dezvoltarea și standardizarea conceptului și integrarea și
funcționarea tehnologică.
Fiabilitatea mecanismelor de acționare cu turație reglabilă ac este o zonă de interes deosebit
pentru toți membrii comunității de discuri și a pieței. Acest lucru este valabil în special pentru
industriile militare, aerospațiale și auto care adoptă din ce în ce mai mult sisteme de viteză variabilă
pentru a îmbunătăți eficiența și performanțele sistemului în ansamblu. Există anumite aplicații
critice de siguranță, cum ar fi sistemul de direcție, pompele de combustibil și sistemele de frânare
cu fir, în care funcționarea mecanismului de acționare este de o importanță capitală și trebuie
asigurată funcționarea continuă a sistemului. Drept rezultat, redundanța paralelă este adesea
folosită pentru aceste sisteme, deși la un cost ridicat al sistemului.
Necesitatea acestor sisteme de toleranță la erori a inspirat multă cercetare în zonă. Analiza,
modelarea și simularea dife ritelor defecțiuni ale invertorului și mașinii au fost prezentate în multe
lucrări
Cu toate acestea, deși au fost întreprinse lucrări în domeniul cercetării și dezvoltării și care
încă se desfășoară astăzi cu privire la fiabilitatea componentelor electroni ce (semnale și puteri), pe
de o parte, și la siguranța sistemelor electrice și hibride, pe de altă parte, se pare că domeniul
siguranței electrice a dispozitivelor electronice de conversie a energiei electrice și disponibilitatea
lor funcțională pare foart e insuficient se ocupă astăzi de abordarea obiectivă a provocărilor
generate de noile aplicații critice pe care le -am reamintit; la care trebuie, de asemenea, să asociem
toate noile forme de generare a energiei regenerabile la scară largă (centrale electri ce fotovoltaice,
parcuri eoliene) a căror calitate și continuitate a serviciilor reprezintă dimensiuni esențiale pentru
o integrare societală de succes și durabilă.
Siguranta electrica este abilitatea unei componente, a unui dispozitiv sau a unui sistem de
a-și păstra integritatea fizică și cea a mediului său imediat când isi face aparitia un eșec critic
permanent și complet. În mod ideal, această capacitate poate fi (sau ar trebui să fie …) obținută
direct de designul structural și de alegerea judicioasă a materialelor, se vorbește în acest caz de
securitate pasivă integrată; este de asemenea obținut, în practică, prin adăugarea de componente și
dispozitive auxiliare de protecție autonome sau în plus față de securitatea pasivă concepută anterior
pentru a extinde aria de acoperire a acesteia față de defecțiunile care pot sa apara.

4
În acest context, această lucrare își propune să contribuie la definirea structurilor
electronice de putere adaptate și a noilor convertoare care sunt sigure și reconfigurabile cu
proprietăți interne de toleranță la erori capabile să abordeze toate aplicațiile pe care le -am
menționat.
In ciuda unei evoluții foarte clare a performanțelor lor electrice și termice în ultimii ani,
componentele semiconductoare și modulele de putere rămâ n și vor rămâne fără îndoială printre
cele mai fragile elemente ale sistemelor de conversie. Ele sunt primele victime ale oricăror
constrângeri și defecțiuni excesive care pot apărea pe parcursul duratei de funcționare a
echipamentului (de exemplu, )
Aceas tă problemă este în mod evident o preocupare majoră în aplicațiile de mare putere,
datorită însăși naturii sistemelor implicate (de exemplu, transportul și distribuția energiei,
tracțiunea feroviară, rețelele de la bord).
În acest domeniu de aplicare, care se concentrează ne proiecta tarta de operare se bazează
acum în primul rând pe un demers de fiabilitate a componentelor utilizate, utilizarea protecțiilor
aflate la distanțe mici, de monitorizare și de alarmă oprire / resetare / recuperare de gestionare. În
opinia noastră, această abordare se transformă rapid incompletă atunci când o siguranță electrică
absolută și continuitatea unei misiuni permanente ar trebui să fie efectuată simultan în prezența
unui defecțiuni interne de produs pentru funcțiile sensib ile de putere joasă și medie (de exemplu.
Comenzi și organisme vehicule) sau extrem de critice (domeniul nuclear). În acest domeniu,
topologiile și modurile de insuficiență se află în centrul problemelor problematice. Cu toate
acestea, problema care trebui e tratată nu este, evident, aceeași funcție dacă seria de topologii de
conversie (de ex. Pluricelulare invertoare multinivel cascadă asociere serie efect redundanța
activă) sau dacă paralelle de conversie paralelă (de exemplu, faze intercalate, asociere pa ralelă de
convertoare).
În primul capitol, se face o scurta prezentare a clasificarii defectiunilor si a mencanismelor
de defectare a IGBT -urilor care poat afecta invertorul de tensiune .
În cel de -al doilea capitol v om sublinia za necesitatea limitarii acestor defecțiuni și de
celul a defectă a acestui invertor prin dispozitive cu mai multe poli, dispozitive de separare pasivă
sau mixte cu tăiere controlată, sub formă de siguranțe integrate și . Se va arăta că această operație
de izolare este esențială pentru a conecta, într -o formă se rială sau paralelă la celula defectă, o celulă
de rezervă pasivă redundantă. Structura spontană (automată) a celulelor spontane de rezervă va fi
detaliată, deoarece este propusa din punctul meu de vedere, datorită simplității și integrității sale.
În capit olul al treilea se prezinta cateva simulari realizate in PSIM si Matlab/Simulink,
detaliind o parte din topologiile introdus în capitolul 2.

5
Principalele moduri de defectiuni

În zilele noastre, electronica de putere joacă un rol important în acționăril e cu motor, interfețele de
utilități cu surse regenerabile de energie, transmisia de putere (de exemplu sistemele de curent continuu de
înaltă tensiune și sistemele flexibile de transmisie de curent alternativ), vehicule electrice electrice sau
hibride și multe alte aplicații. Prin urmare, fiabilitatea electronicii de putere devine din ce în ce mai vitală
și ar trebui să atragă mai multă atenție [1].
Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) sunt semiconductoare hibride bipolare -oxid de metal,
care au avant ajele rezistenței scăzute la starea de funcționare, controlului tensiunii porții și zonei largi de
lucru în siguranță. IGBT -urile sunt, de asemenea, una dintre cele mai importante componente, precum și
dispozitivele electrice utilizate pe scară largă în si stemele electronice de putere în domeniul mai mare de 1
kV și 1 kW. Conform sondajului, cele mai utilizate dispozitive de putere pentru aplicații industriale sunt
IGBT [4].
Mai multe lucrări de sinteză au acoperit subiectele privind eșecul IGBT, diagnostic area
defecțiunilor și metodele de protecție.
Eșecul IGBT -urilor poate fi clasificat, în general, ca o defectiune catastrofică și defectul produs
prin uzare. Izolarea IGBT este determinată, în principal, de degradarea acumulată pe parcursul timpului, în
timp ce eșecul catastrofal este declanșat de suprasolicitarea cu un singur eveniment, cum ar fi
supratensiunea, supracurentul, supraîncălzirea și așa mai departe.

2.1. Clasificarea esecurilor catastrofale ale IGBT -urilor

Comportamentele de defecțiune catast rofală ale IGBT -urilor pot fi clasificate drept
defecțiuni de circuit deschis și scurtcircuit. În mod normal, defectarea circuitului deschis este
considerată ca nereușită pentru convertoare, deoarece convertorul poate funcționa cu o calitate
inferioară a i eșirii. Dimpotrivă, eșecul de scurtcircuit este aproape fatal pentru convertoare,
deoarece curentul de scurtcircuit necontrolat poa te distruge IGBT -ul defect și /sau alte componente
din circuit.

2.1.1 . Defecțiune în circuit deschis
Izolarea circuitului d eschis IGBT se poate produce după deconectarea externă din cauza
vibrațiilor, precum și prin prinderea sau ruperea firelor de legătură datorită curentului de
scurtcircuit ridicat. Poate conduce la curent pulsatoriu, distorsiune curent / tensiune de ieșire și
duce la o defecțiune secundară a altor componente după o anumită perioadă de timp. De asemenea,
circuitul deschis poate fi cauzat de absența semnalului de acționare a porții. Motivele obișnuite ar
putea fi deteriorarea componentelor din drivere și decon ectarea dintre placa șoferului și IGBT -uri.

6

2.1.2 . Defecțiune la scurtcircuit
Modurile IGBT de scurtcircuit pot fi clasificate în funcție de secvența de timp. IGBT
scurtcircuit în timpul pornirii poate fi cauzată de te nsiunea ridicată a porții și de defectarea externă.
Defectarea în stare de funcționare poate fi cauzată de blocarea statică sau de creșterea rapidă a
temperaturii intrinseci cauzate de defalcarea a doua, precum și de șocurile energetice. Defecțiunea
în tim pul opririi poate fi cauzată de blocarea dinamică și de defectele de înaltă tensiune.
Defecțiunea în timpul staționării poate fi cauzată de fenomenul de răscolire termică.

2.2. Mecanismele de esec ale IGBT -urilor

În general, mecanismele de insuficiență catastrofică sunt mai legate de fizica semiconductorilor și
de condițiile de muncă suprasolicitate. După cum se menționează în figura 1, există două mecanisme de
defecțiune a circuitului deschis și a celor patru de scurtcircuit.

2.2.1 . Mencanisme de defct iune in circuit deschis
Izbucnirea circuitului IGBT nu este fatală pentru convertizor imediat, dar poate duce la
defectarea secundară a altor dispozitive și a convertorului. Mecanismele sunt următoarele:
a) Îndepărtarea sau ruperea firului de legătură.
Principalele mecanisme sunt legate de nepotrivirea coeficienților de dilatare termică (CTE)
între Silicon și Alum iniu, împreună cu gradientele de temperatură ridicat ă. Ruperea pornește la
periferia interfeței de lipire, iar firul de legătură se ridic ă în cele din urmă când ruperea se propagă
spre zona de legătură centrală mai slabă [14]. Sârmele de legare la emițăto rul central nu
funcționează în mod normal în primul rând și apoi urmează firele de legătură de supraviețuire.
b) Eroarea drivearului de poartă.
Există div erse cauze ale defecțiunii driverului , cum ar fi dispozitivele de putere (de
exemplu BJT sau MOSFET) deteriorate; fire între placa de unitate și IGBT deconectat [15].
Eroarea driverului poate duce la întreruperi intermitente IGBT, la tensiunea de ieșire degradată și
la suprasolicitarea a ltor IGBT -uri și condensatoare.

2.2.2 . Mecanisme de defecțiune la scurtcircuit
Izolarea IGBT de scurtcircuit poate duce la distrugerea po tențială a IGBT care a eșuat, a
IGBT -urilor rămase și a altor componente, deoarece induce curentul necontrolat ridicat prin
circuit . Eșecul de scurtcircuit poate fi clasificat ca fiind următoarele patru tipuri diferite.

7
a) Defalcarea la tensiuni înalte.
Tensiunile inalte induse de rata scăzută de cădere a curentului cole ctor (IC) și inductanței
pot distruge IGBT în timpul opririi, în special în caz ul vârfurilor repetitive [18,19] . Datorită
vârfului ridicat d e tensiune de deconectare, câmpul electric poate ajunge în câmpul critic și poate
descompune mai întâi una sau mai multe celule IGBT și poate duce la un curent de scurgere ridicat
și la o temperatură locală ridicată. Ulterior, fluxul de căldură difuzează r adial din regiunea
supraîncălzită către celulele vecine. Tensiunea colector -emițător (VCE) se prăbușește după vârf
de tensiune, iar IC se ridică din nou. De asemenea, terminalul poarta poate de asemenea să nu
funcționeze, ceea ce duce la creșterea tensiuni i de poartă (VGE). Valoarea mare a VCE și VGE
poate duce, de asemenea, la scurtcircuit în timpul pornirii. O distrugere bruscă și un curent de vârf
se întâmplă după câteva microsecunde în timpul pornirii.
b) Închidere statică / dinamică.
Blocarea este o co ndiție în care curentul colectorului nu mai poate fi controlat de tensiunea
porții. În ceea ce privește figura 3, blocarea se întâmplă când tranzistorul parazitar NPN este pornit
și funcționează împreună cu tranzistorul principal PNP ca tiristor, iar poart a pierde controlul IC.
Blocarea IGBT poate fi împărțită în două tipuri, blocare statică și dinamică [21]. Închiderea statică
se întâmplă la curenții colectori mari, care pornesc tranzistorul parazitar NPN prin mărirea căderii
de tensiune pe rezistența para zită RS. Blocarea dinamică se întâmplă în timpul comutării
tranzitorilor, de obicei în timpul opririi, când tranzistorul parazitar NPN este influențat de curentul
de deplasare prin capacitatea de joncțiune Ccb între regiunea P + profundă și regiunea N -bază.
Există două condiții distincte care pot duce la blocarea dinamică [22 -27]. Una este când tensiunea
porții scade foarte repede și induce un curent de deplasare excesiv prin oxidul de poartă care curge
prin rezistența parazitară. Celălalt este atunci când tensiunea colector -emițător off -state este destul
de mare și induce curenți excesivi de încărcare în cadrul IGBT în timpul trecerii tranzitorii, care
va curge prin rezistența parazitară. Ambele condiții pot declanșa tranzistorul parazitar NPN și pot
duce e ventual la blocare. Ar trebui să se observe că curentul colector care conduce la blocarea
dinamică este mai mic decât cel al blocării statice.
c) A doua defalcare.
Cea de -a doua defalcare este un fel de distrugere termică locală pentru tranzistori [32]
datorită solicitărilor de curent ridicate, care se pot întâmpla, de asemenea, IGBT -urilor în timpul
funcționării și al opririi. Mecanismul de eșec a celei de -a doua defecțiuni este următorul: cu
creșterea curentului, densitatea spațiului de încărcare a joncți unii colector -bază crește, iar
tensiunea de defalcare scade, rezultând o creștere suplimentară a densității de curent. Acest proces
continuă până când zona regiunii cu densitate mare de curent se reduce până la zona minimă a unui
filament de curent stabil. Apoi, temperatura filamentului crește rapid datorită auto -încălzirii și
apare o prăbușire rapidă a tensiunii în IGBT.
d) Șocuri de enegie.
În timpul scurtcircuitului la starea "on -state", se poate întâmpla o eroare datorită disipării
de putere ridicată. D isiparea înaltă a puterii într -un timp scurt este definită ca șoc de energie.

8
Curentul scurt de scurtcircuit va duce la șocuri de energie și la temperaturi înalte [35,36]. Cu toate
acestea, IGBT nu va eșua imediat chiar și temperatura de joncțiune depășeșt e temperatura
nominală. Până la atingerea temperaturii intrinseci (aproximativ 250 ° C pentru siliciul dopat),
creșterea suplimentară a temperaturii de joncțiune ar conduce la o creștere exponențială a
concentrației purtătorului și a furtului termic. Cu o creștere suplimentară a temperaturii, matrița de
siliciu poate deveni deteriorată grav, iar metalul de contact poate migra și în joncțiuni. Chiar și
curentul de scurtcircuit este oprit cu succes, insuficiența de scurtcircuit ar putea avea loc în
continuare după mai multe microsecunde.

2.3. Protectia cu sigurante fuzibile a modulelor IGBT

Datorită îmbunătățirii semnificative a tehnologiei IGBT, ratingurile de tensiune și curent
au crescut și există deja aplicații de mare putere IGBT, atât în paralel, cât și în serie. Cele mai
multe defecțiuni sunt prinse de o protecție activă împotriva curentului, care dezactivează
comutatoarele atunci când se detectează o eroare. Cu toate acestea, există cazuri în care protecția
activă nu este suficientă și unde consecin țele pot fi catastrofale pentru convertor și împrejurimile
acestuia.
O soluție la această problemă ar putea fi o protecție a siguranței, care nu va împiedica
distrugerea IGBT, d ar va împiedica ruptura . Este posibil să existe o lipsă de dorință de a folosi
protecția cu siguranțe în convertoarele IGBT deoarece necesită un spațiu suplimentar, este un cost
suplimentar, introduce pierderi suplimentare și, în final, o siguranță va adăuga o inductanță în
circuit. Aceste dezavantaje pot fi, totuși, compens ate de avantajele cum ar fi lipsa ruperii, reducerea
problemelor cu certificarea și lipsa unei camere de explozie speciale în proiectare și, prin urmare,
a costului de producție redus.

2.3.1. Posibilă localizare a siguranțelor în invertoarele IGBT
Unele l ocații posibile ale siguranțelor într -un invertor sursă de tensiune [1], [2]. Sunt
prezentate numai acele soluții care au siguranțe atât în partea superioară, cât și în partea inferioară
a invertorului, deoarece este doar modu l de a oferi o protecție completă a invertorului.
Se poate părea foarte evident să se plaseze două siguranțe în legatura dc , deoarece acestea
pot proteja împotriva tuturor defectelor. Cu toate acestea, plasarea în ser ie cu banca de
condensatoare oferă, în principiu, aceeași protecție. Avantajul aici este că siguranțele în serie cu
condensatorul nu poartă curentul activ care produce curentul, ci numai curent ul ac. Soluția de la
punctul , în care o siguranță este utilizată în serie cu fiecare IGBT, pare la prima vedere cea mai
scumpă, dar curentul din fiecare dintre cele șase siguranțe este mai mic decât în siguranțele dc –
link. Nu există o rată fixă între curenț ii de siguranță pentru primul si al treilea caz deoarece legatura
dc poartă în principal o putere activă, în timp ce o siguranță în serie cu un IGBT poartă atât puterea
activă, cât și cea reactivă a sarcinii.

9
Sisteme tolerante la defecte

Întreruperile întrerupătorului invertorului trebuie rectificate cât mai repede posibil pen tru
a menține cele mai bune performanțe posibile ale motorului în starea post -defect. Aplicatiile de
vehicule electrice, prin urmare, performanța corectă a sistemelor de control tolerante la erori este
critică. Întrerupătorul defect al invertorului trebuie izolat rapid de la sistemul de acționare ale
motorului de curent alternativ prin comutatoare electronice integrate pentru a evita alte defecțiuni
majore ale motorului. Diferite topologii de invertor de control tolerante la erori sunt raportate
pentru a iz ola defecțiunea și pentru a păstra funcționarea motorului de curent alternativ în starea
post-defect. Unele dintre aceste topologii de invertoare sunt prezentate, meritele și dezavantajele
acestora sunt discutate pentru aplicațiile de vehicule electrice.

3.1. Definiții și metrici (valori) de comparație

Conceptul de sistem de toleranță la erori este acela că acesta va continua să funcționeze
într-o manieră satisfăcătoare după ce a susținut o defecțiune. Termenul "satisfăcător" implică un
nivel minim de p erformanță după defecțiune și, prin urmare, va fi puternic influențat de cerințele
sistemului. În timp ce defecțiunile conținute în motor și in condensatoarele dc sunt evenimente
serioase, această lucrare se limitează la compararea topologiilor tolerante l a erori în cazul în care
defecțiunile rămân în stadiul invertorului de putere.

Fig. 2 Defectele avute in vedere pentru invertor

Defectele avute în vedere (a se vedea figura 2) sunt:
a) scurtcircuitul întrerupătorului cu un singur invertor;
b) scurtcircu it de fază -picior;
c) un circuit deschis întrerupător unic;
d) circuit deschis monofazat (intern sau extern la invertor).

10
Orice topologie de acționare a invertorului tolerantă la defecte este doar o parte cheie a
unui sistem de acționare mai mare . Un sistem de toleranță la erori trebuie să includă o arhitectură
de control adecvată, care include un sistem de monitorizare, o strategie de detectare a defecțiunilor
și o reconfigurare a controlerului pentru manipularea erorilor și funcționarea ulterioa ră după
defect. Există mai multe metode pentru a detecta defectele de tip deschis [7], [8]. Deficiențele de
tip scurtcircuit pot fi detectate prin încorporarea logicii împreună cu protecția hardware de
desaturare [9], [10]. Reconfigurarea controlerului a f ost, de asemenea, abordată, [11]. În timp ce
este necesar și important pentru un sistem complet de antrenare a defectelor la mașină, aceste
considerații ale sistemului de control depășesc sfera de cuprindere a acestei lucrări și nu vor mai
fi discutate aic i.
Au fost propuse diferite modele tolerante la erori la nivel de circuit, care sunt clasificate
după cum urmeaza.

3.2. Dispo zitivul redundant

3.2.1. IGBT -urile press -pack
Spre deosebire de module, IGBT -urile press -pack sunt intrinsec scurte după o defecțiune
catastrofică, din cauza ab senței firelor de legătură și a conexiunii directe între contactele metalului
și metal [45]. Această caracteristică poate fi utilizată în mod profitabil pentru redundanța în serie,
unde mai multe dispozitive funcționează ca un singur switch. În zilele noas tre este utilizat pe scară
largă în tracțiune, acționări de mare putere și sisteme de transmisie a puterii [46,47]. Cu toate
acestea, din motive de exhaustivitate, ar trebui să se sublinieze f aptul că IGBT -urile de tip "press –
pack" eșuate ar putea fi deschi se după o anumită perioadă de timp datorită interacțiunii dintre
aluminiul topit (Al), molibdenul (Mo) și Si care conduce la diferite intermetalice, urmând cu
conductivitate slabă ca circuit deschis [48].

Fig. 3 press -pack IGBT

11
3.2.2. Invertorul trifaz at de tensiune cu conectarea punctului neutru al sarcinii la punctul
de mijloc al legaturii de condensatoare.

O altă metodă este utilizar ea comutatoarelor de by -pass este figura 4 [49]. Comutatoarele
de by -pass sunt situate între punctul ne utru și faza de ieșire. Defecțiunea care apare la dispozitiv ele
de comutare (de exemplu, S1 ) poate fi eliminată prin suflarea siguranțelor (de exemplu Fa) prin
pornirea comutato rului de bypass (de exemplu, TR1 ). Circuitul funcționează ca invertor trifazat
cu patru comutatoare, cu o calitate inferioară a ieșirii. Această topologie se poate ocupa și de
defectarea fazei deschise în aplicația cu mot or, care trebuie să activeze TR4 și să schimbe curenții
de fază pentru a menț ine constantă cuplul motorului . Soluții similare sunt prezentate și în [51 -56].

Fig.4 . Invertorul trifazat de tensiune
În cazul sarcinilor conectate la stea cu punctul neutru accesibil, numai acest punc t va fi
conectat la mijlocul al legaturii DC prin triac [7].
Pentru convertoarele care nu sunt redundante, operația de toleranță la erori este articulată
după cum urmează:
a) individualizarea bratului afectat;
b) dezactivarea driverului bratului defectat;
c) pornirea triacului conectat la bratul defect;
d) modificarea strategiei de control a convertorului (modificarea secvenței impulsurilor).
Aceast ă topologie include patru triacuri și trei siguranțe cu acționare rapidă . Siguranțele
sunt conectate în serie cu fazele de alimentare (incarcare). Deoarece această topologie este o

12
combinație de topologii și metode de control pentru a se potrivi unei faze deschise [13] și a unui
comutator scurtcircuitat [14], acestea vor fi lu ate în considerare separat.
În cazul u nei defecțiuni de fază deschisă, numai TRIAC TR4 trebuie să fie p rezent în
topologia din figura 4 , iar prezența celor trei siguranțe de serie nu este necesară. Când sistemul
detectează o defecțiune de fază deschisă, TRIAC TR4 este declanșat pentru a conecta neutrul
motorului la punctul central al busului dc.
În cazul unei defecțiuni a dispozitivului de comutare la scurtcircuit, s e presupune că un tip
de protecție la scurtcircuit pe bază de hardware din invertor va deschide automa t tranzistorul
compl ementar, S 1, pentru a evita o eroare de tragere prin scurtcircuitarea magistralei dc. Folosind
acest semnal și o logică suplim entară de control , controlerul pornește TRIAC TR1 . Acest lucru
cauzează un scurtcircuit prin jumătatea inferioară a magistralei dc, comutatorul lipsit de
scurtcircuit, TRIAC și siguranța rapidă. Ca urmare, siguranța se va deschide și va deconecta
întrerup ătorul scurtcircuit. TRIAC TR1 , este controlat ulterior pentru a fi continuu pornit in stare
post-defect.
Pentru a menține o traiectorie constantă a fluxului și pentru a asigura funcționarea fără
perturbații a sistemului, curenții de fază ai fazelor nedefe ctate trebuie să fie măriți in magnitudine
cu un factor de sqrt (3) și fază deplasată cu 30 de grade l a distanta de faza cu defect. Ca rezultat,
curentul de producere a cuplului disponibil este redus cu un factor de sqrt (3) presupunând un
curent de fază post-avarie de un pu. Deoarece neutrul motorului este conectat la punctul
intermediar al legăturii de curent continuu în starea de avarie post -defect, sistemul are încă
capacitatea de a aplica + – 1 / 2 din tensiunea de conexiune DC pe fiecare dintre fazel e rămase.
Pentru a proteja împotriva unui întrerupător scurtcircuitat, sunt ne cesare numai trei
TRIAC -uri, TR1, TR2 și TR3 . De asemenea, trebuie remarcat faptul că această topologie are un
dezavantaj în faptul că necesită acces la punctul central al magist ralei dc.
Deși performanța vehiculului va fi degradată utilizând configurația cu tiristoarele TR1,
TR2 si TR3 , această topologie îmbunătățește fiabilitatea unității motorului pentru o perioadă scurtă
de timp după apariția defecțiunii, permițând vehiculului să supraviețuiască până la reparații [3].
Prin conectarea punctului neutru al motorului la punctul central al legăturii DC , în situația post –
defect, curenții impuși ai fazelor de lucru sunt √ de 3 ori mai mari decât starea sănătoasă [32]. Prin
urmare, pe ntru o funcționare pe termen lung, sunt necesare rate mai mari de curent pentru
semiconductorii invertori și cablurile de înaltă tensiune, ceea ce duce la costuri suplimentare la
proiectarea și fabricarea invertorului. În plus, punctul neutru al motoarelor PMSM nu este în mod
normal conceput pentru a fi accesibil de majoritatea producătorilor, ceea ce limitează aplicațiile
topologiei . [31]

3.2.3. Invertorul 3L -FC
Invertorul cu trei niveluri de tensiune (3L) cu condensator intermediar (FC – Flying
Capacitor ) este prezentat în Fig. 20 pentru configurația semi -punte. Acesta este alcătuit din două
celule de comu tație conectate în serie (S1 -S’1 și S2 -S’2). Între celulele de comutație se conectează

13
un condensator intermediar (C3) care este încărcat la jumătate din tensi unea contin uă de alimentare
(Ud/2). Pulsurile pentru comanda celulelor sunt defazate cu jumătate din perioada de comutație.
Astfel, se obțin patru stări de comutație, notate cu P, O1, O2 și N. Stările O1 și O2 s unt stări
redundante pentru care tensiunea de ieșire este egală cu zero. Aceste stări permit dublarea
frecvenței aparente de comutație la ieșirea convertorului. Celelalte stări, P și N, permit conectarea
sarcinii la borna pozitivă, respectiv negativă, a te nsiunii de alimentare. Tensiunea comutată de
dispozitivele semiconductoare este jumătate din tensi unea continuă de alimentare (Ud /2).
Conceptul de conversie se poate generaliza pentru un număr p de celule de comutație conectate în
serie.

Fig. 5 Topol ogia invertorului 3L -FC

3.2.4. Invertorul multinivel in cascada
Cealaltă metodă cu redundanță în serie și întrerupătoare de by -pass este un convertizor
multi -nivel (HBM) în cascadă [57,58] sau un convertor modular multi nivel (MMC) [59]. Atunci
când apare o defecțiune la un întrerupător, celula defectă H (sau jumătatea H -bridge) este ocolită.
Mărimea tensiunii de ieșire poate fi menținută cu o creștere a distorsiunii armonice.
Conceptul de redundanță paralelă a fost unul dintre primele mijloace de asigurare a
toleranței la defecte într -un sistem de acționare prin inducție [6]. Utilizarea unui invertor
monofa zat individual pentru fiecare fază a motorului a fost de asemenea folosită în [19 . O variație
nouă a acestei idei a fost propusă în [25] și [26]. În timp ce aceste lucră ri nu au abordat problema
redundanței defecțiunilor, acestea s -au referit la îmbunătățirile de performanță care pot apărea
datorită utilizării unităților individuale de acționare a fazelor . Invertorul în cas cadă permite ca
tensiunea maximă a magistralei să fie aplicată fiecărei faze a motorului. Ca urmare, este necesar

14
să se regleze numărul de viraje din motor pentru a menține valoarea kVA a sistemului constantă
în compa rație cu topologia standard [23] . Când est e efectuat în mod corespunzător, invertorul
cascadă va avea același spațiu de tensiune și curent ca invertorul standard . Chiar dacă numărul de
dispozitive este dublat, kVA necesar al topologiei este mărită doar cu 15% comparativ cu un
invertor standard, deoarece această topologie are un . Raportul de transformări ajustează curentul
de ieșire și tensiunea de ieșire pentru kVA constant între convertizoare. Cu toate acestea,
întrerupătoarele trebuie încă să fie evaluate pentru a bloca tensiunea completă de curent continuu
chiar dacă tensiunea de fază a fost mărită numai cu sqrt (3 ).
Capacitățile de toleranță la defect ale inve rtorului cascadă prezentate sunt oarecum limitate.
Invertorul oferă o toleranță la defecțiuni pentru o defecțiune de fază deschisă . În acest caz, se va
folosi metoda de control în două etape . Cu toate acestea, protecția pentru o întrerupere a
comutatorului scurtcircuit at nu poate fi asigurată prin oprirea comutatoarelor rămase în fază .
Cuplarea reciprocă între faze induce curentul să curgă în bobina defectă, producând un cuplu de
pulsație nedorit în mașină . Pentru o defecțiune a comutatorului deschis, este prezentă și o cale prin
diodele antiparale, dar include și legătura DC. Orice tensiune indusă în faza defectuoasă ar trebui
să fie mai mare decât tensiunea de conexiune dc înainte ca si curentul să fie indus în bobină. Ca
urmare, funcționarea cu toleranță la erori pentru o întrerupere a unui singur circuit deschis va fi
limitată .
Este recunoscut faptul că utilizarea invertoarelor monofazate multiple sau cascadate oferă
posibilitatea unei toleranțe la defecțiuni din cauza unor întreruperi ale întrerupătorului unic (single
switch) și a scurtcircuitului unic. Cu toate acestea, sunt necesare componente suplimentare pentru
a izola unitatea sau faza defectă din sistem, așa cum au fost utilizate în [6] . Un dispozitiv de izolare
potențială ar fi un TRIAC introdus în serie cu fiecar e fază de ieșire . Cu un TRIAC disponibil pentru
a izola faza defectă din sistem, această configurație a convertorului cascadă este capabilă să fie
tolerantă la erori la un singur comutator scurtcircuite, circuite deschi se și circuite inchise.

3.3. Redundanta de faza

Abilitatea de a izola un picior defazat de fază deschide posibilit atea introducerii unui picior
de schimb invertor pentru îmbunătățirea toleranței la defect, așa cum se arată în figura 10.
Configurația [15] va fi denumită topologie redundantă a fazei. Această topologie a circuitelor
încorporează defecțiunea de izolare a SCR -urilor și a siguranțelor numai în cele trei picioare active
ale invertorului. Un al patrulea picior de schimb al invertorului este conectat în locul piciorului de
fază defect după ce dispozitivele de izolare a defecțiunilor au scos piciorul din sistem. În timpul
funcționării normale, această fază de rezervă este inactivă și nu se comută. Drept urmare, cele trei
TRIAC -uri afișate în topologie se comporta ca niste intreruptoare statice de transfer pentru a
conecta această ieșire la faza defectată numai at unci când este necesar.
Această topologie, care nu a fost testată in lucrare, are capacitatea unică de a menține
puterea de ieșire nominală în modul de funcționare post -defect, ceea ce reprezi ntă o îmbunătățire
substanțială față de atunci când este adoptată o abordare de control în două faze.

15
Topologia convertizorului cu patru comutatoare a fost una dintre primele modele de
invertor de control de toleranță la defecțiuni propuse pentru acționările cu motor de curent
alternati v [31].

3.3.1 Topologia simpla
Se prezintă in figura 6 cazul unui convertor redundant care tolerează erorile. De fapt, acest
conve rtor are un picior suplimentar conectat la fiecare dintre cele trei faze ale sarcinii cu un
dispozitiv static capabil să conducă bidirecțional curentul. Versiunea statică a dispozitivului de
rupere este preferată față de cea mecanică, deoarece pornirea tre buie efectuată în condiții de
încărcare, cu hazarde minore și mai rapidă decât cu întreruptoare mecanice.
Diagnosticarea defecțiunilor și funcționarea tolerantă a erorilor a convertorului redundant
sunt articulate după cum urmează:
1) individualizarea bra tului defectat;
2) dezactivarea driverului bratului defectat;
3) închiderea triacului conectat la bratul defect;
4) transferul comenzii de comutare la dispozitivele redundante.
Schema de control al toleranței la defecțiune este următoarea: în primul rând, semnalele de
acționare ale porților celor două întrerupătoare din piciorul defect (de exemplu, S1 și S2) sunt
setate să fie zero; în al doilea rând, comutatorul bidirecțional adecvat este declanșat (de exemplu,
t1); în cele din urmă, cei doi întrerupătoare în fază redundantă (de exemplu, S7 și S8) sunt
controlate de semnalele de acționare a porții pentru a relua rolul celor două comutatoare în piciorul
defect. Această metodă a fost aplicată la convertoarele cu trei niveluri [61,62]. Sistemul cu cinci
pini [ 63,64] și convertorul cu șase brațe [65] au, de asemenea, o redundanță similară a
defecțiunilor.

16
Fig. 6 Topologia invertorului trifazat cu toleranta la defecte

Tranziția la topologia invertorului redundant de fază este suficient de rapidă pentru a
neglija perturbațiile in operatiune ale motorului sincron cu magnet permanent. Acesta nu
degradează performanța motorului în situația post -defect, deși costul și dimensiunea de producție
VSI este ușor crescută. De aceea, această lucrare recomandă ca topologia invertorului fazei
redundante să fie cel mai potrivit invertor de control al toleranței la defecțiuni pentru aplicațiile de
transmisie EV.
Intervenția la viteză este suficient de mare pentru a nu determina o degradare semnificativă
a calității energiei, cu excepția câtorva cicluri de comutație sau cel puțin pentru un singur ciclu cu
un control mai sofisticat. Într -o versiune îmbunătățită a acestui convertor sunt prezente mai multe
dispozitive de rezerva de siguranță (făcând mai multe picioare disponibile) ș i, evident, un număr
mai mare de triace este necesar pentru conectarea la sarcină.

3.3.2. Invertorul trifazat de tensiune cu patru brațe fara conectare la punctul de mijloc al
legaturii de condensataore.

3.3.2.1. Structura de conexiune in caz de urgenta la primul defect
Continuitatea alimentării fazei poate fi realizată într -o primă direcție prin conectarea unui
singur braț de rezervă în parale l, unde este necesar să se introducă cât mai multe elemente de
conectare stea, încât să fie salvate faze active. Deși destul de complexă, această primă schemă
permite conservarea unei tensiuni și a unei puteri de alimentare de 100% .
Se propune in Fig. 7 o abordare diferită care exploatează proprietatea pr imului mod de
defectare a celulelor de putere într -o stare reziduală ohmic de valoare foarte mică, aproape de
scurtcircuit, prin urmare, pentru a realiza un alt mod de a conecta un dispozitiv de salvare brațul
în fază, nu în paralel cu celula prin terminal ul de fază ca, dar în serie cu celulele defectuoase pe
partea stâlpului magistralei DC. Astfel, elementul de conectare poate fi redus la două diode simple,
blocat în sens invers sub jumătate din tensiunea busului DC în modul nominal, apoi pasiv al ternativ
la fiecare alternanță a curentului de încărcare prin chips -uri defecte în mod ohmic. Brațul de
rezervă este astfel conectat spontan și instantaneu la fază imediat ce cele două siguranțe au izolat
celula defectă și asigură continuitatea misiunii la 100% din tensiune și putere. În versiunea trifazică
sau polifazică, la fel de multe perechi de diode ca și celelalte faze, fiecare pereche trebuie să fie
conectată în paralel cu un punct comun de conectare al brațului de rezervă, așa cum se arată în
figur a 12b).

17

Fig. 7 Structura de conexiune sigura la primul defect
În modul normal, trebuie remarcat faptul că cele două tranzistoare ale brațului de rezervă
și ale diodelor de conectare sunt blocate sub jumătate din tensiunea magistralei fără nici o aplicație ,
așadar, într -o stare de așteptare foarte scăzută, care ar putea fi redundantă pasivă calificată " călduță
"(doar un curent foarte scăzut de scurgere inversă circulă în intersecții ).
Fig.14 este o simulare PSIM ™ care arată, în mod ideal pentru structura cu o singură celulă, cu
conexiunea brațului de rezervă, prezentată în Fig.13a). Diferitele secvențe de operare: funcționarea
normală înainte d e începerea defecțiunii (PWM între T1 și T2), apoi aplicarea unui semnal de
control al defecțiunilor pe T1 (stare înaltă permanent), se produce o saturație în cascadă de la T1
la T2, fuziunea celor două siguranțe izolează celula de comutare, la final o con tinuitate a
funcționării după conectarea brațului de salvare. Datorita supratensiunii tranzitorii pe magistrala
DC produsă de arcul fuziunii, ar fi necesar să se introducă un timp de înainte de începerea brațulu i
de rezervă pentru a evita supratensiunea p e comutatoarele brațul secundar.

3.3.2.2. Structura de conexiune in caz de urgenta la al doilea defect
Un eșec pe un al doilea braț activ va determina, conform aceluiași proces, izolarea simetric ă
a acestui braț de către cei doi poli ai magistralei DC. Comutatorul de diode al acestui braț
conectează spontan faza respectivă cu brațul de salvare paralel, care este deja activ în modul de
urgență, deoarece a fost declanșat de prima defecțiune anterioa ră. Cele două faze în cauză se găsesc
în paralel cu diodele lor de conectare respective și sunt alimentate de același braț de rezervă. Dacă
acest mod degradat pare a fi conceput pentru topologii paralele în DC / DC (chopper multifazic cu
brațe paralelizate ) sau în DC / AC (invertor cu brațe paralelizate), asigurându -se că faz ele paralele
nu sunt cuplate , în toate celelalte configurații de aplicații se pare că este necesar un al doilea braț

18
de rezervă echipat cu dispozitivul să u de conectare dedicat. Pentru a putea comuta o celulă în mod
indiferent la unul sau la alt braț de rezervă, diodele de conectare trebuie înlocuite cu comutatoare
controlate, de regulă tiristo are, așa cum se arată în Fig. 8 . Aceste tiristoare au proprietă ți de joasă
tensiune ; Cu toate acestea, tiristoarele care nu sunt active, adică b locate, vor trebui să sufere dv/ dt
al uneia dintre brațele de rezervă. Acest principiu este, în mod evident, gene ralizabil, deși mai
comple x, din cauza numărului de drivere care trebuie adăugate .

Fig. 8 Structura de conexiune sigura la primul defect

3.3.3 . Cazul invertoarelor NPC si ANPC cu trei nive luri de tensiune
Invertoarele cu niveluri multiple au găsit apli cații de succes în transmisii electrice de putere
de medie tensiune, cum ar fi miniere, pompe, ventilatoare și tracțiuni. Întrucât invertoarele cu mai
multe niveluri au un număr mare de dispozitive de alimentare, orice defecțiune a dispozitivului
poate cau za funcționarea anormală a unităților electrice și necesită oprirea invertorului și a
întregului sistem pentru a evita deteriorarea gravă a acestuia. Cu toate acestea, în unele procese
industriale critice cu preocupări ridicate în ceea ce privește costuril e și siguranța, o fiabilitate
ridicată și supraviețuirea sistemului de acționare este foarte importantă. Prin urmare, funcționarea
cu toleranță la erori a invertoarelor pe mai multe niveluri a atras atenția în ultimii ani, iar câțiva
cercetători s -au adres at problemelor tolerante la erori pentru topologiile populare pe mai multe
niveluri, cum ar fi invertoarele cu puncte de neutru (NPC), invertoarele cu condensatoare de zbor
invertoare în cascadă in punte H și invertoare generalizate. În majoritatea soluții lor care tolerează
erorile, trebuie adăugate componente suplimentare (cum ar fi dispozitivele electrice, siguranțele
sau chiar picioarele de fază) la invertoarele standard pe mai multe niveluri pentru funcționarea cu
toleranță la erori. Acest lucru va duce la creșterea costului și poate chiar să reducă capacitatea
invertoarelor și a sistemelor de antrenare datorită utilizării mai multor componente. Mai mult decât
atât, în invertoare pot apărea atât defecțiuni deschise, cât și scurte, în funcție de caracteri sticile și

19
mecanismul de defectare a dispozitivelor de alimentare; astfel, o schemă cuprinzătoare de toleranță
la erori ar trebui să ia în considerare ambele condiții de eșec. Invertoarele ANPC au o fiabilitate
mai mare decât invertoarele NPC atunci când e ste permisă o deratizare pentru sistemul de acționare
cu funcționare cu toleranță la erori. Dacă nu este permisă o operațiune deranjată, cei doi invertoare
au o fiabilitate similară pentru defecțiunea deschisă a dispozitivului, în timp ce invertoarele 3L –
NPC au o fiabilitate mai mare decât invertoarele 3L -ANPC pentru eșecul scurt al dispozitivului.

3.3.1. Cazul invertorului NPC
În figura 9 se prezintă invertorul cu trei niveluri de tensiune (3L) cu punct neutru fixat
(Neutral Point Cla mped – NPC) în montaj punte trifazata . Sursa de tensiune continuă principală
Vdc este împărțită în două surse secundare, realizate cu ajutorul a doua condensatoare . Punctul
median PM (sau O) al bateriei de condensatoare este utilizat pentru realizarea nivelului de ten siune
intermediar. Structura 3L -NPC pentru cazul semipunte monofazata conține patru înt reruptoare de
putere bipolare (T1, T1c, T2 și T 2c) și un înt reruptor de putere tripolar format de cele doua diode .
Întreruptoarele bipolare sunt bidirecționale în curent , în timp ce întreruptorul tripolar conține două
stări unidirecționale. Toate dispozitivele semiconductoare sunt solicitate la jumătate din tensi unea
continuă de alimentare (E /2).
Utilizând comanda POD -SPWM structura 3L -NPC are, de asemenea, trei niveluri de
tensiune (Vdc/2, 0 și -Vdc/2) și trei secvențe de comutație: P (T1 on, T2 off), O (T1 off, T2 off) și
N (T1 off, T2 on). Întreruptoarele T1 și T1c, respectiv T2 și T 2c, sunt comandate complementar
pe întregul ciclu. Un ciclu este reprezentat de perioada tensiunii de referință (vrefA). Ca urmare a
nivelului intermediar de tensiune, ondulațiile curentului sunt reduse la jumătate în comparație cu
structura clasică 2L. Un alt avantaj îl reprezintă calibrul în tensiune al întreruptoarelor care este,
de asemen ea, redus la jumătate. Comanda întreruptoarelor depinde de semnul tensiunii de
referință. Dacă tensiunea de referință este pozitivă, întreruptoarele T1 și T 1c comută la frecvența
de comutație , în timp ce T2 este comandat off și T 2c este comandat on. Atunci când tensiunea de
referință este negativă, comanda î ntreruptoarelor se inversează: T2 și T2c sunt comandate la
frecventa de comutatie , în timp ce S1 este comandat off și S1c este comandat on. Ca urmare,
frecvența aparen tă (efectivă) de comutație a tensiun ii de ieșire este egală cu frecventa de comutatie.
Diodele clamp care fo rmează întreruptorul tripolar , funcționează complementar cu întreruptoarele
exterioare T1 și T 2. Înlocuind întreruptorul unidirecțional Dc cu alte două tipuri de întreruptoare
tripolar e se pot obține alte structuri cu trei niveluri (3L -Bidirectional -Vienna și 3L -Active -NPC).

20

Fig. 9 Invertorul NPC in topologie clasica si topologie redundanta

Izolarea de eroare poate fi realizată în același mod ca și la invertorul cu două nivele, printr –
o structură simetrică cu două căi, aranjate pe cei doi poli ai magistralei D C, așa cum se ar ată în
Fig. 9 . Optiunea cu tiristor face posibila declanșarea celor două siguranțe în serie printr -o cale
externă a brațului, ceea ce face p osibilă asigurarea tuturor scenariilor de defecțiune dacă sunt în
scurtcircuit sau în circuit , datorită diodelor clemelor și diodelor brațului însuși, care asigură
întotdeauna o conexiune fază -la-mijloc la E / 2 în modul de urgență printr -un braț suplimentar
(Mai multe moduri de gestionare a acestui braț al patrulea pot fi imaginate: standby, filtru activ cu
PM pentru a elibera un grad de libertate asupra modulației vectoriale). Acest braț poate fi înlocuit
cu o sur să de alimentare a punctului exterior extern, izolat și simetric (E, E / 2, 0), așa cum este
frecvent la putere mare; în modul de avarie, va fi necesar să studiați cu atenție caracteristicile de
reversibilitate ale acestei surse de alimentare externe, astf el încât toate modurile de funcționare să
fie posibile.
Orice defect intern se traduce prin izolarea dubla a polililor DC si prin punctul de mijloc a
bratului defect, care este conectat automat la un braț al patrulea prin două diode de comutare care
permi t continuitatea fazei. Celelalte două brațe își continuă operațiunea normală în trei nivelurile
de la punctul central comun DC.

3.3.2. Cazul invertorului ANPC
Celula de comutație 3L -ANPC este derivată din structura 3L -NPC. Întreruptorul tripolar
unidire cțional format din cele doua diode este înlocuit cu un întreruptor tripolar bidirecțional care
conține două tranzistoare de putere. Aceste tranzistoare împreună cu diodele conectate în anti –
paralel formează întreruptoarele bidirecționale T1c și T 2c. Ca urmare, numărul total de di spozitive
de putere active (tranzistoare) este egal cu șase pentru un brat .
În figura 10 se prezintă invertorul 3L-ANPC. Invertorul este alimentat de la o sursă de
tensiune principală Ud care conține două surse de tensiune secundare, realizate cu ajutorul

21
condensatoarelor C1 și C2. Întreruptoarele de putere se pot grupa în trei c elule de comutație
elementare: T1-T1c, T2 -T2c și T3 -T3c. Structura are mai multe grade de libertate dec ât
invertoarele 3L -NPC și poate fi comandată cu diferite strategii PWM [13]. Aceste strategii de
comandă diferă prin numărul sec vențelor de comutație zero, care pot fi utilizate pentru o mai bună
distribuție a pierderilor totale la nivelul dispozitivelor semiconductoare de putere. Se poa te folosi
comanda DF (Double Frequency) – PWM care dublează frecvența aparentă de comut ație la ieșirea
convertorului. Utilizând strategia DF -PWM, tensiunea de ieșire are trei niveluri (Ud/2, 0 și –Ud/2)
și șase stări de comutație: P (T1 on, T1c off, T2 off, T2c on și T3 on), O1P (T1 off, T1c on, T2
off, T2c off și T3 on), O2P (T1 on, T 1c off, T2 off, T2c on și T3 off), O1N (T1 off, T1c on, T2
on, T2c off și T3 on), O2N (T1 off, T1c off, T2 off, T 2c on și S T3 off) și N (T1 off T1c on, T2 on,
T2c off și T 3 off). Starea P înseamnă conectarea sarcinii spre borna pozitivă a sursei de tensiune
continuă de alimentare. În acest caz, te nsiunea de po l este egală cu Ud /2. Pentru starea N, sarcina
este conectată la borna negativă a sursei de tensiune continuă și ten siunea de pol este egală cu –
Ud/2. Stările de comutație zero (O1P, O2P, O1N și O2N) tran smit la bornele sarcinii nivelul de
tensiune intermediar (0 V). Comutațiile spre/dinspre stările intermediare zero determină pierderile
în comutație. Acestea depind direct proporțional cu tensiunea comutată și cu frecvența de
comutație. Pierderile în condu cție depind, în principal, de valoarea efectivă a curentului de sarcină
și nu pot fi influențate în stările P și N. În schimb, aceste pierderi pot fi influențate, pentru nivelurile
intermediare (0 V), prin selecția traseelor de circulație a curentului. Se observă două tipuri de
trasee, cel superior (upper) și cel inferior (lower). Traseul su perior conține întreruptoarele T1c și
T3, iar cel inferior este format de întreruptoarele T2c și T 3c. Dezvoltarea strategiei DF -PWM are
la bază două strategii PWM ele mentare de numite PWM -1 și PWM -2. În cazul comenzii PWM -1
celulele 1 și 2 comută la frecvență joasă, egală cu frecvența tensiunii de referință, în timp ce a 3 -a
celulă comută la frecvența de comutație pe întregul ciclu. Ca urmare, întreruptoarele celulelor 1 și
2 au doar pierderi în conducție. Întreruptoarele T3 și T 3c prezinta atat peirderi in conductie cat si
pierderi in comutatie.

Fig. 10 Topologia invertorului ANPC

22

Fig. 11 Defectiuni ale comutatoarelor din zona centrala a bratului

Fig. 12 Structura completa de izolare a unui brat

Defectiunea circuitului deschis cu mai multe dispozitive este un defect comun al ANP C
(Active Neutral -Point Clamped) invertor cu trei nivele de tensiune si afecteaza stabilitatea
funcționării întregului sistem.
Topologia cu trei nivele ANPC are avantajele topologiei NPC pe trei nivele. În plus, poate
depăși generarea dezechilibrate a pier derilor de putere a dispozitivelor de putere cauzate de
frecvența de comutare diferită, utilizând diferite stări de comutare zero. Are o mult mai mare

23
libertate de sistem și strategii mult mai flexibile de control, care pot utiliza diferite strategii de
control PWM pentru a controla sistemul pentru a realiza performanțele corespunzătoare. În
consecință, invertorul ANPC a atras o atenție deosebită cercetătorilor din întreaga lume și devine
matur ca sistem, dar în prezent defecțiunea de circuit deschis cu mai multe dispozitive este una
dintre defectele urgente care trebuie rezolvate.
Topologiile invertorului cu mai multe niveluri sunt mult mai noi și mai complicate, astfel
încât cercetarea pentru toleranta la defectiunie este mult mai târzie. În ultimii ani, i nvertoarele cu
mai multe niveluri au fost utilizate pe scară largă în domeniul industrial, datorită avantajelor lor
inerente, nivelurilor de producție mai ridicate, conținutului mai mic al armonicilor și așa mai
departe, comparativ cu invertoarele cu două niveluri. Prin urmare, cercetătorii din acest domeniu
din întreaga lume au acordat o atenție deosebită invertoarelor cu mai multe niveluri și au fost facute
unele realizări privind controlul toleranței la erori a invertorului cu trei niveluri NPC (Neutral
Point -Clamped).
Topologia invertorului cu trei nivele active cu punct neutru a devenit un punct de cercetare
atragator în momentul în care a fost propus. Poate echilibra pierderile de putere ale dispozitivelor
de alimentare cu invertor prin alegerea a patr u stări de comutare zero pentru a reduce posibilitatea
de avarie a acestor dispozitive cu frecvență mare de comutare. Astfel, invertorul ANPC are o
stabilitate de operare mult mai mare comparativ cu invertoarele NPC. Cu toate acestea, nu este
suficient și este necesar să se realizeze controlul toleranței la erori pentru invertoarele ANPC
pentru a îndeplini cerințele de înaltă stabilitate ale invertoarelor utilizate în anumite ocazii speciale
de import.
Topologia invertorului cu trei nivele AN PC a fost prezentată în figura 10 . Se poate observa din
topologie că invert orul cu trei nivele ANPC transformă cele două diode fixate ale fiecărui braț de
punte de la invertorul cu trei niveluri NPC în module IGBT pentru a adăuga căile de curgere ale
stării zero.

– prima clasă se referă la defecțiunile a cel puțin unui comutator î n zona centrală a brațului
ANPC, așa cum se arată în Fig. 11 , adică T2 sau T3 sau T'1 sau T'2. În acest caz, apare o
rețea internă de scu rtcircuit pentru nivelurile {E, 0}, identic cu structura NPC. Un prim
mod de reconfigurare (modul 1) este propus în Fig.11 : constă în izolarea numai a ramurii
defecte care implică T2 – T'1, resp. T3 – T'2, pe partea mediană, de către ansamblul format
din siguranța F'1 și tiristorul Th'1 resp. F'2 și Th'2 (este posibilă o variant ă cu separator
pasiv controlat) . Cu toa te acestea, în ceea ce privește NPC, dublarea tensiunii este necesară
pentru T1 și T4 pentru a rezista defecțiunii T2 sau T3. În plus, implementarea acestei
strategii implică o detectare și localizare foarte selectivă a defectului care urmează a fi
proiect at și validat în viitor. Un al doilea mod de reconfigurare (modul 2) este acceptarea
unei reduceri a jumătății din domeniul de modulație prin transferul puterii numai la
jumătatea superioară a busului DC (implicit pe T2 sau T'2) sau inferior (implicit la T 3 sau
T'1) și gestionarea echilibrării la jumătatea punctului prin două surse externe izolate, așa
cum se arată în fig. 21d)

24
– a doua clasă se ocupă de defecțiuni localizate pe unul dintre cele două comutatoare
complementare zonei centrale, așa cum se arată în Fig.21e), adică T1 sau T4. În aceste
condiții, când T1 eșuează resp. T4, nivelul Vs = 0 resp. Vs = E, implică din nou o dublare
a tensiunii pe T2 resp. T3 pentru a accepta fu ncționarea continuă, p ropunem două
alternative care constau fie în acceptarea unei reduceri a jumătății din intervalul de
modulare prin transferarea din nou a puterii doar de jumătatea superioară a magistralei DC
(cazul unei defecțiuni la T4) sau mai mică (cazul unei defecțiuni pe T1) și gestionarea
echilibrării punctului mediu cu două s urse externe de energie izolate ; fie pentru izolarea
completă a brațului ANPC de către cei trei poli de pe magistrala DC, incluzân d punctul
intermediar, prin siguranțele F +, F și FPM și prin două tiristoare ThDC și ThPM (multe
variante posibile inclusiv un deconectator pasiv comandat) în modul de r econfigurare 5.
Astfel, Fig. 12 dă, într -o fază, schema completă de izolare a brațulu i ANPC și conexi unea
sa cu un braț de rezervă co lectat în conformitate cu conceptul de brevet [19], folosind doar
două diode suplimentare de conectare.

3.4. Convertor redundat de stare

Unele circuite au capacități redundante inerente, cum ar fi convertor ul cu matrice redusă
[66-68] și convertorul tri -nivel de tip T [69], care poate gestiona defectarea circuitului deschis al
comutatoarelor. Mai mult decât atât, cercetătorii au propus modificări la convertoarele tradiționale
pentru a obține capacitatea de t oleranță la erori, cum ar fi un convertor îmbunătățit cu trei niveluri
pentru aplicații fotovoltaice [70], un convertor DC -DC cu punte H cu picior auxiliar și celule
selector (HBALSC) 71]. Un rezumat al performanțelor circuitelor rezistente la erori în cee a ce
privește defecțiunile comutatoarelor de alimentare este prezentat în tabelul II. Este de remarcat
faptul că eșecul de scurtcircuit este mai dificil de manevrat decât circuitul deschis, și de obicei are
nevoie de timpi foarte scurți de detectare.

25
Simulari ale topologiilor redundante la erori

4.1. Invertorul trifazat de tensiune cu patru brațe fara conectare la punctul de mijloc
al legaturii de condensataore.

Siumularile au fost realizate in Matlab/Simulink. Matlab este un limbaj de nivel înal t și un
mediu interactiv pentru calcul numeric, vizualizare și programare. Simulink este un mediu cu
diagrame bloc pentru simularea pe mai multe domenii și design bazat pe modele integrate cu
MATLAB. Acesta susține proiectarea la nivel de sistem, simularea , generarea automată a codurilor
și testarea continuă și verificarea sistemelor încorporate. Simulink oferă un editor grafic, biblioteci
de blocuri personalizabile și solvers pentru modelarea și simularea sistemelor dinamice [16].
Pentru implementarea come nzii PWM se utilizeaza doua comparatoare pe fiecare faza.
Primul dintre acestea compara trei semnale de referinta sinusoidale (care formeaza un sistem
simetric) cu un semnal triunghiular de frecventa ridicata. Al doilea comparator se foloseste pentru
a stabili valoarea zero atunci cand semnalul purtator este mai mic decat semnalul de referinta si
valoarea unu atunci cand semnalul purtator este mia mare decat referinta sinusoidala. S -a
considerat o sarcina RL si s -au studiat solicitarile in tensiune ale intr eruptoarelor de putere si
ondulatiile curentului.

4.1.1. Structura redundanta la primul defect.

Ne-am propus in Fig. 13 o structura care exploateaza proprietatea primului mod de defect
al celulelor de pe un brat intr -o stare aproape de scurticrcuit si care realizeaz a un mod de a conecta
bratul de rezerva in serie cu celulele care se defecteaza. Elementul de conectare este dat doua diode
simple, blocate in sens invers sub jumatate din tensiunea sursei de alimentare si care trec in curent
alternativ la fiecare alternan ta a curentului de incarcare. In versiunena trifazata abordata am
adaugat mai multe perechi de diode, fiecare preche fiind conectatala un punct comun al bratului
redundant. Acest scenariu este viabil doar dacă în cazul căderii reziduale ohmice ramane slab este
stabil in tmp în prezența unui curent permanent de încărcare.
Se prezinta diferitele secvente de operare: functionare normala inainte defect, apoi
aplicarea unui semnal de comanda al defectiun ii la momentul de timp t = 0.1s, cele doua sigurante
izoleaza celula de comutare, iar apoi se produce instantaneu si spontan o continuitate a functionarii
dupa conectarea bratului de rezerva.

26

Fig. 13 Schema in simulink invertorului trifazat de tensiune cu tolernata la defecte

In fig. 17 , conectarea bratului de rezerva se face dupa un scurt i nterval de timp dupa
aplicarea semnalului de comanda al defectiunii. Ar fi necesar sa se introduca un timp de intarziere
inainte de inceperea bratului de urgenta pentru a evita supratensiunea pe comutatoarele bratului
redundant.
Pentru schema de comanda, a m masurat cu ajutorul unui apermetru valoarea curentului de
pe fiecare faza. Aceasta valoare a fost trecuta prin blocul Continous RMS din libraria Simulink.
Am comparat aceasta valoare cu valoarea minima admisa pentru curentul de pe faza respectiva.
La fu nctionare normala (inainte de producerea unei defectiuni), cand se compara cele doua valori,
vom avea la iesirea comparatorului valoarea zero. In momentul producerii unei defectiuni, curentul
v-a scadea sub valoare admisibila, iar iesirea comparatorului tr ece in 1 si se mentine asa pana la
intreruperea alimentarii converotorului pentru reparatii. Mentinerea in 1 a semnalului de la iesirea
comparatorului pentru toata durata functionarii invertorului, este posibila prin folosirea folosirea
blocului Matlab Fun ction si a coudului:…

Fig. 14
In timpul functionarii normale, invertoarele de pe bratul redundant nu primesc semnal de
comanda. Daca se defecteaza unul dintre aceste brate, pentru a nu trimite trei semnale diferite de
comanda catre cele doua celule de rezerva, am mai utilizat inca doua blocuri Matlab Function.

27
Semnalul de la iesirea comparatorului este introdus in alt bloc Matlab Function care
compara aceasta valoare cu cu celelalte doua iesiri ale ale comparatoarelor de pe celelalte doua
faze.
Primul bloc da comanda tranzistorul redundant de pe alternanta pozitiva cu valoare zero in
timpul functionarii narmale a invertorului (nici un curent nu scade sub valoarea admisibila). In
momentul in care apare o defectiune, iar curentul de pe oricare faza scade sub valoarea admisibila,
atunci cu ajutorul codului de mai sus se poate da la iesire doar secventa de comanda pentru
alternanta pozitiva corespunzatoare bratului care s -a defectat. Al doilea bloc indeplineste aceeasi
functie, cu deosebirea ca la iesirea l ui va exista secventa de comanda pentru alternanta negativa a
bratului avariat. Deci doilea comparator este folosit pentru a comanda bratul redundan cu secventa
de comanda corespunzatoare bratului care s -a defectat.

Fig. 15 Modelarea in simulink cu blo curi MATLAB Function pentru generarea automata a secventei de
comanda pentru celulele redundante

Fig.

Fig. 16 Codul pentru generarea automata a secventei de comanda pentru celulele redundante

28
A. Curentul de la iesire

Fig. 17 Formele de una ale cure ntilor de pe fiecare faza de la iesirea invertorului
B. Tensiunea de la iesire

Fig. 18 Formele de unda ale tensiunii de linie UAB si tensiunii de faza UAN

4.1.2. Structura redundanta la al doilea defect
Este propusa o structura care exploateaza proprietatea unui al doilea defect pe un brat intr –
o stare aproape de scurticrcuit si care realizeaza un mod de a conecta al doilea bratul de rezerva in
serie cu celulele care se defecteaza. In fig. se poate observa cum bratul de rezerva este conectat
spon tan si instantaneu la faza celor doua sigurante care au izolat celula defecta si asigura
continuitatea circuitului la aceleasi valori ale tensiunii si puterii.

29
Comanda pentru acest brat se face foarte asemanator cu cel de -al patrulea brat, cu
mentiunea ca celulele acestuia intra in conductie numai atunci cand exista in circuit doua brate
defectate.

4.2. Invertorul trifazat de tensiune cu patru brațe, avand topologie redundantă a
fazei, cu folosirea a trei triace conectate la brațul de rezervă.

In Fig . 19 se prezinta schema unui inverotor tolerant la erori. Acest convertor are un picior
suplimentar conectat la fiecare dintre cele trei faze ale sarcinii cu un dispozitiv static capabil să
conducă bidirecțional curentul. Al patrulea picior de schimb al invertor ului este conectat în locul
piciorului de fază defect numai după ce dispozitivele de izolare a defecțiunilor au scos piciorul din
sistem. În timpul funcționării normale, această fază de rezervă este inactivă și nu se comută. Drept
urmare, cele trei TRIAC -uri afișate în topologie se comporta ca niste intreruptoare statice de
transfer pentru a conecta această ieșire la faza defectată numai atunci când este necesar. Acesta
topologie nu degradează performanța sarcinii în situația post -defect, deși costul și dim ensiunea de
producție sunt mai crescute.

Fig. 19 Schema in simulink invertorului trifazat de t ensiune cu tolernata la defecte
Se prezintă in figura .. cazul unui convertor redundant care tolerează erorile. De fapt, acest
convertor are un picior suplimen tar conectat la fiecare dintre cele trei faze ale sarcinii cu un
dispozitiv static capabil să conducă bidirecțional curentul.
In timpul functionarii normale, invertoarele de pe bratul redundant nu primesc semnal de
comanda.

30
In momentul aparitiei unui defec t pe unul dintre cele trei brate principale, se
individualizeaza bratul defecte (prin intermediul intrerupatoarelor 1 si 2), se inchide triacul
conectat la bratul defect, apoi se transfera comanda de comutare la dispozitivele redundante.
Comanda automata a celulelor redundante se face la fel ca la structu ra redundanta la primul
defect.
A. Curentul de la iesire

Fig. 20 Formele de una ale curentilor de pe fiecare faza de la iesirea invertorului

B. Tensiunea de la iesire

Fig. 21 Formele de unda ale t ensiunii de linie UAB si tensiunii de faza UAN

31
4.3. Invertorul 3L -FC

In Fig. 22 e ste prezentat invertorul cu trei niveluri de tensiune (3L) cu condensator
intermediar pentru configuratia in punte trifazata.
A fost creat un model de simulare in programul PSIM in care am utilizat o sarcina trifazata
R-L pent ru a verifica schema propusa. Tensiunea continua de intrare este de 100V, iar
condensatorul C este preincarcat la jumatate din tensiunea de alimentare, adica 50V.

Fig. 22 Schema in PSIM a invertorului 3L -FC

Fig. 23 Schema de comanda in PSIM a invertorului 3L -FC

32

Fig. 24 Schema de comanda in PSIM a intrerupatoarelor folosite pentru generarea defectului

Pentru comanda unei celule se compara un semnal de referinta sinusoidal cu doua semnale
purta toare triunghiular, al doilea semnal triunghiular este intarziat cu jumatate din perioada de
comutatie, 180grade. Se folosesc doua comparatoare pentru fiecare brat. Iesirea primului
comparator s -a folosit pentru comanda intreruptoarelor coomplementare T1 -T1c. Al doilea
comparator foloseste acelasi semnal de referinta si il compara cu al doilea semnal purtator. Iesirea
celui de -al doilea comparator se foloseste pentru comanda intreruptoarelor complementare celei
de-a doua celula T2 -T2c. Semnalul de referinta ne da frecventa pentru fundamentala tensiunii de
iesire, in acest caz 50Hz.

Fig. 25 Comanda pentru primul brat al invertorului

In functionari normale, prezenta nivelului intermediar de tensiune determina ca ondulațiile
curentului sa fie reduse la jumătate in comparație cu structura clasică 2L. Tensiunea de la iesire
este jumătate din tensiunea continuă de alimentare (Ud/2). De asemenea, tensiunea comutată de

33
dispozitivele semiconductoare este redusă, în comparație cu conversia clasică 2L. Studi ul
ondulațiilor curentului de ieșire s -a facut cu ajutorul analizei FFT pentru tensiunea uAO. Fiecărei
armonici de tensiune i se atribuie o armonică de curent. Daca am pune un filtru pe partea de iesire
s-ar reduce mai mult ondulatiile.
Indiferent care sem iconductor este defectat, este întotdeauna posibilă reconfigurarea
topologiei invertorului pentru ca acesta să funcționeze ca un invertor cu două celule, care poate
garanta doua niveluri de tensiune. In acest caz atunci cand se defecteaza tiristorul T1 se poate forta
sa se inchida in acelasi timp si tiristorul complememtar Tc1.
L-a momentul de timp 0.04 secunde, IGBT -urile T2a si T2ac se scurcircuiteaza prin
inchiderea celor doua comutatoare bidirectionale, iar comutatorul c2 se va deschide.

Fig. 26 Forma de unda a tensiunii de faza UAN

Fig. 27 Forma de unda a curentului de pe faza A