Theoretical and experimental evaluation of the Integrated gate-commutated thyristor (IGCT) as a switch for Modular Multi Level Converters (MMC)
Évaluation théorique et expérimentale du thyristor intégré à commande par gâchette (IGCT) en tant qu’interrupteur pour les convertisseurs multiniveaux modulaires (MMC)
Résumé
This manuscript investigates the potential of Integrated Gate-Commutated Thyristors (IGCT) for Modular Multi-Level Converters (MMC). After a theoretical analysis of the advantages of IGCTs regarding losses, we investigate their switching operation experimentally. In particular, we focus on di/dt limiting inductance and RCD-clamp reduction/suppression using plastic module silicon (Si) fast recovery diodes and silicon carbide (SiC) diodes in an MMC submodule. This study aims to explore improvements for the MMC, focusing on using different semiconductors in the MMC submodule.
This Ph.D. manuscript contains:
• An analysis of existing HVDC MMC Submodules and their technologies.
• A review on the IGCT: semiconductor structure, types and features.
• An assessment of the interest of the IGCT in HVDC MMC Submodules and losses comparison with IGBTs, using MMC-specific figures-of-merit created in this thesis.
• An assessment of the works on limiting di/dt inductor size reduction.
• A double pulse test design with specific structure imitating an MMC submodule.
• A review and an analysis of the PiN diode failure modes.
• Double pulse tests with fast recovery diode in plastic module with successful attempts to reduce and suppress the limiting di/dt inductor (up to 2400V/1800A and 2000V/2400A).
• The packaging of High-Voltage (10kV) High-Current (50A) SiC PiN diode dies (1cm²), test with IGCT in the same setup, with successful attempts to reduce and suppress the limiting di/dt inductor (up to 2400V/100A and 2000V/150A), and analysis of the specificities of the SiC diode in that setup.
Ce manuscrit étudie le potentiel des thyristors de type IGCT pour les convertisseurs multiniveaux modulaires (MMC). Après une analyse théorique des avantages des IGCTs au regard de leurs niveaux de pertes, nous étudions leur fonctionnement en commutation de manière expérimentale. En particulier, nous nous concentrons sur la réduction/suppression de l’inductance de limitation di/dt pour IGCTs et du clamp RCD en utilisant des diodes rapides en silicium (Si) et des diodes en carbure de silicium (SiC) dans les sous-modules MMC. Cette étude vise à explorer les pistes d’amélioration pour le MMC, en se concentrant sur l’utilisation de différents semi-conducteurs dans le sous-module MMC.
Ce manuscrit de thèse de doctorat contient :
• Une analyse des sous-modules de MMC HVDC existants.
• Une revue de l’IGCT : structure du semi-conducteur, types et caractéristiques.
• Une évaluation de l’intérêt des IGCTs dans les sous-modules MMC HVDC et comparaison des pertes avec les IGBT, en utilisant des facteurs de mérite spécifiques aux MMC créés dans cette thèse.
• Une évaluation des travaux sur la réduction de la taille des inductances limitant le di/dt.
• Un design de banc d’essais test à double pulse avec une structure spécifique imitant un sous-module MMC.
• Une revue et une analyse des modes de défaillance des diodes PiN.
• Des tests en double pulse avec diode à récupération rapide dans un module plastique pour tenter de réduire et supprimer l’inductance limitant le di/dt.
• Packaging de puces de diodes SiC PiN à haute tension et courant élevé, test avec IGCT dans le même montage,pour tenter de réduire et supprimer l’inductance limite di/dt, et analyser les spécificités de la diode SiC dans ce montage.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)