High Efficiency Power Converters for Vehicular Applications

The use of power electronics in the electrical propulsion systems leads to the optimal and efficient utilization of the traction motors and the energy sources (batteries and/or fuel cells) through the recourse to suitable power converters and their proper control. Power electronics is also used for implementing the multiple conversions of the energy delivered by the sources to feed the various loads, most of them requiring different waveforms of voltage (ac or dc) and/or different levels of voltage. This work focuses on the solutions aimed at improving the efficiency of power converters for vehicular applications, which is of great importance because of the limited amount of energy that can be stored in the electric vehicles. The study takes into consideration both the traction applications and the battery charging applications whether it is done by conductive means or by wireless power transfer (WPT) systems. The improvement in traction drive efficiency results in an increment of the drivetrain efficiency of the vehicle, leading to an extension in the driving range, while the employment of efficient power converters is required to charge batteries with increasingly large capacity. The losses of power devices are even more significant when they operate at high frequencies to compact the size of the filter elements and/or the transformers. The losses of power devices can be minimized by making the commutation soft or by replacing the conventional devices with the new generation devices based on wide bandgap (WBG) semiconductor materials. In this work, the properties of the WBG semiconductor materials are illustrated and the operation of the devices based on these materials are analyzed to grasp better their characteristics and performance. The losses of individual devices (i.e. diode, IGBT, MOSFET) as well as the operation of power converters for various applications are examined in detail. To evaluate the performance of the SiC devices in electric vehicle applications, an AC traction drive for the propulsion of a typical compact C-class electric car has been considered. Two versions of the inverter have been investigated, one built up with conventional Si IGBTs and the other one with SiC MOSFETs, and the losses in the semiconductor devices of the two versions have been found along the standard New European Driving Cycle (NEDC). By comparing the results, it is emerged that the usage of the SiC MOSFETs reduces the losses in the traction inverter of about 5%, yielding an equal increase in the car range. To complete the study, calculation of the efficiency has been extended to the whole traction drive, including the traction motor and the gear. Afterwards, a power factor correction (PFC) circuit, which is commonly used to mitigate the distortion in line current, has been studied. The study is started by considering the basic and the interleaved PFC configurations and by defining their circuit parameters. After selecting the interleaved configuration, the magnitude of voltages and currents in the PFC rectifier has been determined and the values obtained have been verified by a power circuit simulation software. The digital signal processing (DSP) has been also studied as it is used for the control operation of the PFC. At last, a prototype of PFC rectifier with interleaved configuration is designed. The design process and the specification of the components are described in brief. A prototype of synchronous rectifier (SR) is designed for the output stage of a WPT system. With respect to conventional rectifiers, in SRs the diodes are replaced by MOSFETs with their antiparallel diodes. MOSFETs are bidirectional devices that conduct with a low voltage drop. During the dead time, the diodes in antiparallel to the MOSFETs are conducting. At the end of dead-time, signals are applied at the MOSFET gates that make conducting all along the remaining period, thus reducing the conduction losses. The dead-time length is optimized by using fast switching devices based on SiC semiconductor materials. The prototype is designed and tested at the line frequency. The experimental results obtained from the prototype corroborate both the analytical results and the simulation results. As SR exhibits is working with high efficiency at the line frequency, it is expected that at the higher operating frequencies of the WPT systems, the performance of SR will be even better. A DC-DC isolated power converters used to setup the battery charger through wire system are studied. Two topologies of DC-DC converters, i.e. Dual Active Bridge (DAB) and Single Active Bridge (SAB) converters, are considered. For both the topologies operation are described at steady state. For SAB converter, two possible modes of operation are examined: discontinuous current conduction (DCM) and continuous current conduction (CCM). Soft-switching operation of both SAB and DAB converters, obtained by the insertion of auxiliary capacitors, is analyzed. Moreover, the soft-switching operating zone for the two converters are found as a function of the their output voltages and currents. Finally, the comparative analysis of soft-switching operation of SAB versus DAB converter is presented. The thesis work has been carried out at the Laboratory of “Electric Systems for Automation and Automotive” headed by Prof. Giuseppe Buja. The laboratory belongs to the Department of Industrial Engineering of the University of Padova, Italy.

L’utilizzo dell’elettronica di potenza nei sistemi di propulsione elettrica porta all'utilizzo ottimale ed efficiente dei motori di trazione e delle sorgenti di energia (batterie e/o celle a combustibile) attraverso il ricorso a convertitori statici e al loro controllo. L’elettronica di potenza è utilizzata anche per implementare più conversioni dell’energia fornita dalle sorgenti per alimentare i vari carichi, la maggior parte delle quali richiede forme d'onda di tensione diverse (AC o DC) e/o diversi livelli di tensione. Questo elaborato si concentra sulle soluzioni volte a migliorare l'efficienza dei convertitori di potenza per applicazioni veicolari, tema che è di grande interesse per la limitata quantità di energia accumulabile a bordo. Sono prese in considerazione sia le applicazioni di trazione che le applicazioni di ricarica degli accumulatori realizzate con mezzi conduttivi o con i sistemi di trasferimento di potenza senza fili (WPT). Il miglioramento dell’efficienza degli azionamenti di trazione produce un incremento dell'efficienza dell’intero powertrain del veicolo, che si traduce in un incremento dell’autonomia del veicolo, mentre l’impiego di convertitori di potenza efficienti si rende necessario per la ricarica di batterie con capacità sempre maggiori. Le perdite dei dispositivi di potenza sono ancora più significative quando operano ad alte frequenze di lavoro per compattare le dimensioni degli elementi filtranti e/o dei trasformatori. Le perdite nei dispositivi di potenza possono essere minimizzate rendendo la commutazione soft o sostituendo i dispositivi convenzionali con i dispositivi di nuova generazione basati su materiali semiconduttori con ampia banda proibita (WBG). Nell’elaborato, sono illustrate le proprietà dei materiali semiconduttori WBG e si analizza il funzionamento dei dispositivi basati su questi materiali per comprendere le loro caratteristiche e prestazioni. Le perdite di singoli dispositivi (come diodi, IGBT, MOSFET) nonché il funzionamento di convertitori di potenza per varie applicazioni sono esaminati in dettaglio. Per valutare le prestazioni dei dispositivi SiC quando vengano impiegati nei veicoli elettrici, è preso in esame un azionamento di trazione in AC impiegato per la propulsione di una tipica automobile elettrica di classe C. Due versioni di invertitore sono esaminate, una costruita con convenzionali Si IGBT e l'altra con MOSFET SiC, ed è calcolata la potenza persa nei dispositivi a semiconduttore delle due versioni di invertitore mentre l’automobile percorre il ciclo normalizzato di guida europeo (NEDC). Dal confronto dei risultati è emerso che l'utilizzo dei MOSFET SiC riduce le perdite nel convertitore di trazione di circa 5%, ottenendo un uguale incremento dell’autonomia dell’automobile. Per completare lo studio, si è successivamente esteso il calcolo dell’efficienza all’intero azionamento di trazione, comprendente il motore e il riduttore. Si è quindi studiato un raddrizzatore con circuito di correzione del fattore di potenza (PFC), utilizzato per ridurre la distorsione di corrente in linea. Lo studio è iniziato considerando sia la configurazione di base che quella interleaved e individuando i parametri circuitali. Dopo aver scelto la configurazione interleaved, sono determinate le ampiezze delle tensioni e delle correnti presenti nel raddrizzatore PFC e i valori ottenuti sono verificati mediante un software di simulazione di circuiti di potenza. E’ anche studiato un dispositivo per l'elaborazione digitale dei segnali (DSP) nel quale implementare il controllo del raddrizzatore PFC. Infine è progettato un prototipo di raddrizzatore PFC con configurazione interleaved. Il processo di progettazione e le specifiche dei componenti sono brevemente descritti. Un prototipo di rettificatore sincrono (SR) è stato sviluppato per lo stadio di uscita di un sistema WPT. In confronto con i raddrizzatori convenzionali, in un SR i diodi sono sostituiti da MOSFET con diodi in antiparallelo. I MOSFET sono dispositivi bidirezionali caratterizzati da una bassa caduta di tensione e dalla direzionalità nel condurre la corrente. Durante il tempo morto, entrano in conduzione i diodi in antiparallelo ai MOSFET. Al termine del tempo morto, ai MOSFET sono applicati segnali di comando che li portano in conduzione per tutta la restante parte del semiperiodo, riducendo così le perdite di conduzione. La durata del tempo morto è ottimizzata utilizzando dispositivi di commutazione veloci basati su materiali semiconduttori SiC. Il prototipo è stato progettato e sperimentato alla frequenza di rete. I risultati sperimentali ottenuti hanno confermato sia i risultati analitici che le simulazioni. L’elevato valore di efficienza ottenuto sul prototipo operante alla frequenza di rete fanno prevedere che il suo impiego alle alte frequenze operative dei sistemi WPT possa dare risultati ancora migliori. Si sono studiati i convertitori isolati di potenza DC-DC impiegati nei caricabatteria di tipo conduttivo per veicoli elettrici. Si sono prese in considerazione due topologie di convertitori DC-DC, il convertitore con doppio ponte attivo (DAB) e quello con un unico ponte attivo (SAB). Per entrambe le topologie è analizzato il funzionamento in condizioni di regime. Per il convertitore SAB sono esaminate due possibili modalità di funzionamento: conduzione discontinua di corrente (DCM) e conduzione di corrente continua (CCM). Si è analizzato il funzionamento in soft-switching, ottenuto con l’inserzione di condensatori ausiliari, sia del convertitore SAB che di quello DAB. E’ individuata la zona di funzionamento in soft-switching per i due convertitori in funzione delle tensioni e delle correnti di uscita. Infine, è stata eseguita un’analisi comparativa del funzionamento in soft-switching dei due convertitori. Il lavoro di tesi è stato realizzato presso il Laboratorio di "Sistemi Elettrici per l'Automazione e Automotive" diretto dal Prof. Giuseppe Buja. Il laboratorio fa parte del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Padova, Italia.