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Mehmet Cemil Kazanbas

With the continual increase in the global energy consumption, grows the demand on the power capacity, efficient production, distribution and utilization of the electrical energy generated. The role of power electronics in such contexts has been of great importance not only for the traditional power generator systems but also for the decentralized renewable energy generation, like solar and wind power.

Within this framework, a theoretical and practical examination on new inverter topologies is investigated with electronic isolation method in order to meet the targeted future challenge aspects.

ISBN 978-3-86219-822-1

9 783862 198221

Analysis and Comparison of Power Electronic Converters with Electronic Isolation

In this thesis, power electronic topologies are analyzed with respect to the type of electrical isolation between the input and output, which may differ in three ways: galvanic, capacitive and electronic. Among the above requirements, “galvanic isolation” is a major issue in photovoltaic applications, not only due to regulations concerning the grounding of PV modules but also because of compatibility requirements of new cell technologies.

Analysis and Comparison of Power Electronic Converters with Electronic Isolation

Mehmet Cemil Kazanbas

Several innovations can be observed in the field of power systems for renewable energy sources based on power electronics. Improvements can be identified ­regarding for example control techniques, semiconductor devices, electromagnetic components and also topologies. Such developments allow specific application requirements to be fulfilled with lower levels of losses and less material expenditure.

Elektrische Energiesysteme

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Elektrische Energiesysteme Band 8

Herausgegeben vom Kompetenzzentrum für Dezentrale Elektrische Energieversorgungstechnik

Analysis and Comparison of Power Electronic Converters with Electronic Isolation

Mehmet Cemil Kazanbas

kassel university

press

This work has been accepted by the Faculty of Electrical Engineering / Computer Sciences of the University of Kassel as a thesis for acquiring the academic degree of Doktor der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.). Supervisor: Prof. Dr.-Ing. Habil. Peter Zacharias Co-Supervisor: Prof. Dr. rer. nat. Ludwig Brabeetz Defense day:

7th July 2014

Bibliographic information published by Deutsche Nationalbibliothek The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie; detailed bibliographic data is available in the Internet at http://dnb.dnb.de. Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2014 ISBN 978-3-86219-822-1 (print) ISBN 978-3-86219-823-8 (e-book) URN: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0002-38232 © 2015, kassel university press GmbH, Kassel www.upress.uni-kassel.de/ Printing Shop: Print Management Logistics Solutions, Kassel Printed in Germany

Foreword I wrote this thesis during my time as a research assistant at the Institute for Solar Energy System Technology (ISET) and at the Center of Competence for Distributed Electric Power Technology (KDEE) at the University of Kassel. While writing this study, I was responsible for the development and optimization of power electronic circuits in partnership with industry. I am especially grateful to my supervisor, Prof. Dr –Ing. habil. Peter Zacharias, for his professional support and encouragement during the studies I conducted for this PhD thesis. Through his commitment to power electronic systems for renewable energy applications, he significantly motivated me to embark upon this work. I want to thank my second supervisor, Prof. Dr rer. nat. Ludwig Brabetz, who heads the vehicle systems and fundamentals of the electrical engineering department at the University of Kassel, for his guidance and help. I would also like to acknowledge the contribution of Prof. Dr-Ing. Albert Claudi and Prof. Dr-Ing. Mike Meinhardt through their participation on the dissertation board. I would also like to thank my colleagues from KDEE for their camaraderie that backed me throughout my work at the university. Special thanks to my co-workers Benjamin Sahan and Samuel Araújo. I thank Christian Nöding, Lucas Menezes, Likaa Fahmi Ahmed Izzat and Thiemo Kleeb in particular. I would also like to thank Hamit Can for his help during this master thesis. I am grateful to Mrs Anja Clark-Carina, director at the secretariat’s office at the Institute IEE-EVS, for her continuous assistance and useful advice on administration issues during my PhD at University of Kassel. I am also grateful for the help and advice of my fellow student Dr Murat Kale from the University Duzce during his post-doc at the KDEE. Moreover, I would like to express my pure appreciation and thanks to Prof. Dr. Bekir Cakir, the head of the institute of electrical engineering department at the University of Kocaeli, and Prof. Dr. Engin Özdemir, the head of the institute of electric energy and automation department at the University of Kocaeli, as well as Associated Prof. Dr. Erkan Mese at the Yildiz Technical University for their support to my research work and ideas. At every point of my life, I want to express my heartfelt gratefulness to my lovely wife, Zehra Kazanbas, my mother, Emine Kazanbas, as well as my family in Turkey for their continuous support and understanding during my studies.

Last but not least, I would like to wish my son Ömer Talha, born on 8 January 2012 in Kassel during this work effort, all the best, good luck and good health in life. Mehmet Cemil Kazanbas Kassel, 1 August 2014

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Summary With the continual increase in global energy consumption grows the demand on power capacity, efficient production, distribution and utilization of the electrical energy generated. The role of power electronics in this context has been of great importance for not only traditional power generator systems but also for decentralized renewable energy generation, like solar and wind power. Improvements in the field of power systems can be identified regarding control techniques, semiconductor devices, electromagnetic components and also topologies. Such developments allow specific application requirements to be fulfilled with lower losses and material expenditure. In this thesis, power electronic topologies are analysed with respect to the type of electrical isolation between the input and the output, which may differ in three ways: galvanic, capacitive and electronic. Among the above requirements, 'galvanic isolation' is a major issue in photovoltaic applications not only due to regulations concerning the grounding of PV modules but also because of compatibility requirements of new cell technologies. For this purpose, several circuits based on the referred isolation approaches were firstly benchmarked using normalized stress factors covering conduction and switching losses. In order to achieve electrical isolation without any transformer (galvanic isolation), the properties of electronic isolated PV topologies were investigated in details afterwards within the scope of this work. At the end of this study, a prototype of one of the new proposed circuits was built and experimentally investigated for different operation conditions. This thesis is a report about the analysis and comparison of electronic isolated power electronic converters and is divided into eight chapters. Chapter 1: General Introduction Chapter 2: State-of-the-Art Chapter 3: Investigation of Power Electronic Topologies with respect to Isolation Art Chapter 4: Analysis of Proposed Topology Chapter 5: Inverter Design and Specifications Chapter 6: Comparison between Selected Topologies Chapter 7: Inverter Design and Specifications Chapter 8: Conclusion

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Zusammenfassung Mit dem kontinuierlichen Anstieg des weltweiten elektrischen Energieverbrauchs steigt die Nachfrage an effizienteren Produktionsmethoden, sowie der Verteilung und Nutzung an elektrischer Energie immer weiter an. Fortwährend ändern sich die traditionellen Stromgeneratorsysteme auf der Welt. Dabei treten die dezentralen Erzeugungseinheiten immer stärker in den Vordergrund und werden in den Energiesystemen auf der Vertriebsebene integriert. Zeitgleich gibt es mehr und mehr Anforderungen des Marktes und der Standards, die Szenarien und Roadmaps der künftigen Design-Kriterien zum Thema „Leistungselektronik-Systemen“ gestalten. In diesem Kontext ist es das Ziel, weitere Wechselrichter-Technologien zu entwickeln. Zukünftige Aspekte konzentrieren sich dabei unter anderem auf einen hohen elektrischen WandlungsWirkungsgrad, verringerte Baugröße der Komponenten, Sicherheitsaspekte und hohe Zuverlässigkeit. Betrachtet man es von einer anderen Perspektive, werden mit diesen Anforderungen leistungselektronische Umrichter immer komplizierter. Dies hat zu einem großen Aufwand für die Untersuchung auf Forschungsbereiche wie neue Wechselrichterschaltungen, innovative Halbleitertechnologien, passive Bauteile und neue Regelungstechnik geführt. Innerhalb dieses Rahmens wird eine theoretische und praktische Prüfung auf neue Wechselrichter-Topologien mit elektronischer Isolation in dieser Studie untersucht, um die angesprochenen Zukunftsaspekte zu erfüllen. In dieser Arbeit werden leistungselektronische Topologien in Bezug auf elektrische Isolation zwischen dem Eingang und Ausgang, die in drei Arten galvanisch, kapazitiv und elektronisch unterteilt werden können, analysiert. Zu diesem Zweck werden mehrere Schaltungen auf der Basis der genannten Trennungsansätze zunächst mit normierten Stressfaktoren für Benchmarking von Leitungs- und Schaltverlusten untersucht und verglichen. Unter den oben genannten Anforderungen ist "galvanische Trennung" ein wichtiges Thema in PhotovoltaikAnwendungen. Nicht nur aufgrund der Vorschriften über die Erdung der PVModule, sondern auch aufgrund von Kompatibilitätsanforderungen neuer Zelltechnologien. Darüber hinaus wird ein Überblick über PV-SystemTechnologien gegeben. Schließlich wird eine Bewertung der Erdungsmöglichkeiten nach PV-Wechselrichter-Topologien auf dem Markt oder in der Literatur präsentiert.

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Um eine elektrische Isolation ohne Transformator (galvanische Trennung) zu erreichen, werden im Rahmen dieser Arbeit die Eigenschaften der elektronisch isolierten PV-Topologien im Detail untersucht, welche über vergleichbare Isolationseigenschaften verfügen. Schließlich werden die einphasigen PVWechselrichter-Topologien mit elektronischer Isolierung mit Zwei- und DreiPhasen-DC-DC-Wandlerstufe eingeführt. Ein Schwerpunkt ist hierbei die unterschiedliche Erdungskonfiguration mit dem Ziel der Bewältigung der zukünftigen Anforderungen der transformatornetzgekoppelten PV-Wechselrichter. Dies umfasst insbesondere die Arten der elektronischen Isolation. Diese werden am Ende mit Hilfe eines Prototyps eines der neuen, vorgeschlagenen Schaltungen experimentell für verschiedene Betriebsbedingungen untersucht. In dieser Arbeit wird die Analyse der geplanten Topologie ausführlich durchgeführt. Die Betriebsstufen für unterschiedliche Bedingungen werden mit Spannungs- und Stromverläufen beschrieben. Unterdessen wird die Struktur und Funktionsweise der gekoppelten Drossel für diese Topologie untersucht. Zu diesem Zweck wird die Umwandlung eines magnetischen und elektrischen Schaltkreises verwendet, sodass nicht nur die Kernreluktanzen sondern auch dominante parasitäre Effekte berücksichtigt werden. Zusätzlich kann eine FEM-Simulation die parasitären Elemente definieren. Ferner werden die vorgeschlagenen Wechselrichter aufgrund der Daten in dem Designverfahren für die gekoppelte Induktivität vorgestellt und gestaltet. Anschließend wird die Design-Entscheidung unter Berücksichtigung aller wesentlicher Parameter durchgeführt, die durch einzelne Schritte berechnet werden. Insbesondere durch die berechneten Verluste für die gekoppelte Induktivität, kann das optimale Volumen berechnet und in einer tolerierbaren Temperaturerhöhung nachgewiesen werden. Schließlich bestätigt die Simulation das gewünschte Muster für die verschiedenen Frequenzen. Am Ende dieser Schritte ist es möglich, die Umsetzung der Ausgangsleistung zu erkennen. Ein weiterer Aspekt ist ein Vergleich zwischen den Topologien untereinander mit verschiedenen elektrischen Isolationen. Hierzu wird eine Vergleichs-Methodik berücksichtigt und kurz erläutert, welche Indikatoren für die Stressfaktoren und Verluste der Leistungsqualifizierung der unterschiedlichen Topologien ermöglichen. Für diesen Ansatz sind die wesentlichen Anforderungen an das gleiche Spannungsverhältnis und die beliebige Erdungsmöglichkeit von Bedeutung. Die Strom-und Spannungswellenformen der Halbleitervorrichtungen der isolierten Topologien werden identifiziert, um die signifikanten Stressfaktoren zu bestimmen. In diesem Fall werden die Schaltfrequenz und die Halbleitervorrichtungen als ideales Verhalten aufgewiesen und alle Topologien sollen in einem stationären Zustand betrieben werden. Man kann erkennen, dass 9

jede Schaltung unterschiedliche Verhaltensweisen besitzt. Diese Methode kann herausfinden, welche die beste Kombination mit den definierten Formeln ist, die in der gewünschten Design-Spezifikation verwendet werden kann. Anschließend werden die Eigenschaften der gekoppelten Drossel mit der einphasigen, nicht gekoppelten Drossel verglichen. Die Magneteinrichtung und das Volumen für jede Topologie sind auch für die Designvorgaben berücksichtigt. Hier kann man erkennen, dass die gekoppelte Struktur mit EE-Kernen eine mindestens 30% höhere Volumendichte im vergleich zu entkoppelten Drosseln über alle Frequenzen hinweg erreichen kann. Ein anderer Vorteil ist, dass geringere Schwingungen auftreten, die wiederum kleinere Ausgangsfilter ergeben, sodass die Schaltungsperformance in allen Betriebsfällen verbessert werden kann. Um die Eigenschaften des vorgeschlagenen, einphasigen transformatorlosen PVWechselrichters mit der gekoppelten Drossel zu überprüfen, wird ein 2,5-kWLabormuster mit den entsprechenden elektrischen Spezifikationen präsentiert und vermessen. Die Spannungen und Ströme der gekoppelten Drossel werden hierbei bei verschiedenen Eingangsspannungen, sowie Ausgangsspannungen und -strömen untersucht und der stationäre Wirkungsgrad unter verschiedenen Halbleitertechnologien bei Nennleistung mit verschiedenen Schaltfrequenzen untersucht. Nach den praktischen Ergebnissen kann dabei das Volumen der gekoppelten Drossel um ca. 25% reduziert werden, ohne Änderung der maximalen Temperaturgrenze. Weiterhin kann der ausgelegte Konverter mit dem selbstleitenden SiC-JFET einen maximalen Wirkungsgrad bei 32kHz von 97,34% erreichen. Das Bauvolumen der gekoppelten Induktivität kann bei 144 kHz zu einem Drittel verringert werden. Basierend auf den praktischen Ergebnissen ist der geplante PV-Wechselrichter mit elektronischer Isolierung eine Lösung für einen Wechselrichter, mit inhärenten hoch- und tiefsetzenden Verhalten. Darüber hinaus verfügt er mit flexiblen Erdungskonfigurationen und hohen Wirkungsgrad über einen breiten Eingangsspannungsbereich.

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Contents Foreword Summary Zusammenfassung Contents

5 7 8 11

Chapter 1 - General Introduction 1.1 Background and motivation 1.2 Power electronic systems 1.3 What is actually meant by electrical isolation? 1.4 Aims of the study 1.5 Outline of the thesis

14 14 17 17 18 19

Chapter 2 – The State-of-the-Art 2.1 Introduction 2.2 Semiconductor technologies 2.3 Passive comonents

20 20 20 27

Chapter 3 – Investigation on Power Electronic Topologies with Respect to Isolation Art 3.1 Introduction 3.2 Analysis of isolation techniques in power electronic topologies 3.3 Photovoltaic system technologies 3.3.1 PV Generator stage 3.3.2 PV Inverter stage 3.3.3 Grid stage 3.4 Potantial differences at the PV system 3.5 Topological classification of PV inverters 3.5.1 Grid-connected PV topologies with isolating transformer 3.5.2 Grid-connected transformerless PV topologies 3.5.2.1 Transformerless topologies with floating potential of the PV generator 3.5.2.2 Transformerless topologies with one array grounded source 3.5.2.3 Transformerless topologies with fixed potential of the PV generator 3.5.2.4 Transformerless topologies with arbitrary grounding possibilities 3.6 Conclusion

28 28 28 32 32 36 37 37 38 39 40 42 44 45 47 52 11

Chapter 4 – Analysis of the proposed Topology 4.1 Introduction 4.2 Theoretical analysis 4.3 Circuit analysis 4.4 Operation stages 4.4.1 Buck mode 4.4.2 1:1 Mode 4.4.3 Boost mode 4.5 Current and voltage stress on the switches 4.6 Operation scenarios 4.7 Control system Coupled inductor 4.8 4.8.1 Structure and functioning of the coupled inductor 4.8.2 Coupled inductor model 4.8.3 Magnetic field structure 4.8.4 Magnetic circuit 4.8.5 Transformation of magnetic and electrical circuits 4.9 Summary

53 53 53 57 58 59 61 63 66 66 68 69 70 71 73 74 76 78

Chapter 5 - Inverter Design and Specifications 5.1 Boundary conditions Coupled inductor design 5.2 5.2.1 First estimations for core size 5.2.2 First selection for core sizes 5.2.3 All parameters for design decisions 5.2.4 Definition of parasitic effects 5.2.5 Calculation of coupled inductor losses and temperature 5.2.6 Selected coupled inductors 5.2.7 Verification of design areas 5.3 Simulation of the proposed circuit 5.4 Summary

79 79 81 82 86 87 92 93 96 97 98

Chapter 6 - Comparison between selected Topologies 6.1 Definition of loss indicators 6.2 Galvanic isolated topology 6.3 Capacitive isolated topology 6.4 Electronic isolated topology 6.5 Comparison of total RMS current indicators 6.5 Comparison of switching stress indicators 6.6 Conclusion

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104 104 109 115 119 124 125 126

Chapter 7 - Practical Implementation 7.1 Hardware 7.2 Coupled inductors 7.3 Software 7.4 Measurement results 7.4.1 Boost mode (D>0.5) 7.4.2 Buck mode (D