Date of Award
6-2022
Document Type
Thesis
Degree Name
Master of Science in Electrical Engineering (MSEE)
Department
Engineering
First Advisor
Hussain Shareef
Abstract
The increasing demand for renewable energies and the ongoing advancement in the industry require continuously evolving power converters in terms of efficiency, power density, and reliability. Furthermore, power converters’ applications in harsh and remote environments such as offshore wind turbines demand robust and reliable designs to help reduce operational costs. Power switch failure is a critical reliability issue that leads to the converter going out of service, causing an unscheduled maintenance event. The main reason behind power switch failure is thermal cycling. Therefore, the first part of this thesis attempts to develop an effective double switch H bridge inverter topology aiming to lessen thermal cycling subjected to power switches, increasing the expected lifetime of power switches, improving the system's overall reliability, and reducing operational costs.
Meanwhile, the second focus of the thesis is to develop a visual interpretation of an empirical lifetime estimation model that enables the evaluation of the proposed inverter topology compared to the conventional topology. This is done by producing a novel lifetime improvement evaluation curve based on a common empirical lifetime estimation model using MATLAB®. Moreover, the interpretation of the empirical lifetime estimation models as a lifetime improvement evaluation curve helps to bridge the gap between any thermal condition change and its impact on the expected lifetime. The percentage reduction in the junction’s median temperature %𝑇𝑗𝑚_𝑟𝑒𝑑 and the percentage reduction in the temperature swing %Δ𝑇𝑗_𝑟𝑒𝑑 are taken as the main contributors to the change in the switch’s estimated cycles to failure 𝑁𝑓. The effectiveness of the proposed topology was verified via simulation of the thermal parameters for the two topologies via PLECS® software. Several test scenarios were performed to illustrate the impact of shifting from the conventional topology to the proposed topology. Following that, numerous loading conditions were considered to perform an extensive comparative analysis between the proposed and the conventional topologies. Three power factor values were adopted at high, medium, and low values; to compare the two topologies while covering an adequate loading range for each power factor value. The assessment indices, namely, Life Prolonging Factor (LPF), and the average LPF (in a temperature range) obtained promising results, especially for high loading levels conditions. The LPF reached values more than ‘2’ under some conditions, indicating a more than double lifetime increase. Furthermore, the average LPF in a specific temperature range indicated promising results in general for common loading conditions with an advantage for higher loading conditions over lower loading conditions.
Arabic Abstract
ن الطلب المتزايد على انظمة الطاقة المتجددة والتطورات الصناعية الجارية تتطلب تطوير مستمر لاجهزة الكترونيات القدرة المستخدمة في تحويل الطاقة من شكل لآخر (محولات القدرة) من حيث الكفاءة، والقدرة لكل وحدة حجم والموثوقية. إضافة الى ذلك، تطبيقات محولات القدرة الواقعة تحت ظروف صعبة وفي مناطق نائية مثل مولدات طاقة الرياح المنصوبة في جزر اصطناعية بحرية تتطلب تصاميم ذات موثوقية عالية نظرا لتكاليف الصيانة المرتفعة في حالة الاعطال ان اعطال مفاتيح اشباه الموصلات تعتبر من أهم مشاكل موثوقية محولات القدرة بحيث أنها تؤدي عادة الى توقف الوحدة تماما عن العمل وانقطاع تزويد الاحمال بالطاقة اللازمة، مما يترتب عليه متطلبات صيانة غير مجدولة لدى الجهة المشغلة. المحرك الأساسي وراء اعطال أشباه الموصلات بالتطبيقات ذات القدرة العالية هي ظاهرة التدوير الحراري. لذا، فالهدف الأول من هذه الرسالة يتمثل بتطوير دائرة فعالة لجهاز عاكس الجهد احادي الطور تهدف لتخفيف ظاهرة العبي الحراري الذي تتعرض له اشباه الموصلات في الجهاز مما يحسن من العمر المتوقع لاشباه الموصلات، وبالتالي يرفع من مستوى موثوقية النظام ككل ويقلل من مصاريف التشغيل والصيانة.
الهدف الثاني لهذه الرسالة يتمثل في تطوير تمثيل مرئي لمعادلات تقدير اعمار اشباه الموصلات المعتمدة على البيانات التجريبية في مجال اشباه الموصلات، مما يساعد في تقييم النظام المقترح في هذه الرسالة ومقارنته مع نظام التشغيل التقليدي لاجهزة عواكس الجهد احادية الطور. يتم تقييم اداء الدائرة المقترحة عن طريق تطوير منحلى تقييم تحسين العمر الافتراضي لاشباه الموصلات باستخدام برمجية MATLAB. علاوة على ذلك، تمثيل انظمة تقدير اعمار اشباه الموصلات على شكل (منحنى تقييم درجة تحسين العمر الافتراضي لاشباه الموصلات) يساعد في فهم الأثر المباشر لأي تغيير يطرأ على الظرف الحراري لاشباه الموصلات على العمر الافتراضي المتوقع لها. تم اعتماد نسبة الانخفاض المئوية على درجة الحرارة المتوسطة لشبه الموصل . %Tim red ونسبة الانخفاض المئوية على درجة تأرجح حرارة شبه الموصل A7_red% كعاملين اساسيين لتقدير عدد مرات التدوير الحراري المؤدية لفشل شبه الموصل ... تم التحقق من فعالية الدائرة المقترحة عن طريق محاكاة الظرف الحراري لاشباه الموصلات ومقارنة الدائرة المقترحة مع الدائرة التقليدية باستخدام برمجية .PLECS® تم اجراء اختبارات لعدة ظروف تشغيلية بهدف توضيح اثر تبني الدائرة المقترحة بدلا من الدائرة التقليدية على العمر التقديري لاشباه الموصلات
وبالتالي الوصول لانظمة ذات موثوقية اعلى. يتبع ذلك دراسة نتائج النظامين المقترح والتقليدي ومقارنتهما في عدد من ظروف التحميل المختلفة. بحيث تم اعتماد ثلاث قيم لمعامل القدرة حتى يتسنى مقارنة النظامين تحت ظروف التحميل المختلفة المتمثلة في معامل القدرة ودرجة التحميل عند معامل القدرة. مؤشرات تقييم الاداء المتمثلة في معامل زيادة العمر LPF ومتوسط معامل زيادة العمر )لكل فئة حرارية محددة( قدمت نتائج مبشرة خصوصا في ظروف التحميل العالية. معامل زيادة العمر تعدى " 2" في بعض الحالات مما يشير الى زيادة العمر الافتراضي لاشباه الموصلات لأكثر من ضعف العمر الاصلي لنفس الظرف التشغيلي في حالة الدائرة التقليدية. زيادة على ذلك ، مؤشر متوسط زيادة العمر )لكل فئة حرارية محددة( يشير الى نتائج مبشرة للدائرة والنظام المقترح خصوصا في ظروف التحميل العالية بالمقارنة مع ظروف التحميل المنخفضة.
Recommended Citation
Hushki, Mohammad Mousa Ahmad, "THERMAL STRESS MITIGATION OF SINGLE-PHASE SINEWAVE INVERTER BY USING DOUBLE SWITCH H BRIDGE CONFIGURATION" (2022). Theses. 954.
https://scholarworks.uaeu.ac.ae/all_theses/954