Progettazione di un Inverter Trifase SiC ad Alta Densità di Potenza per Veicoli Ibridi ed Elettrici

Abstract

Il lavoro sviluppato in questa tesi consiste nella progettazione di un inverter trifase SiC a 800V, standard di batterie per HEV, con particolare focus sul dimensionamento termico, poiché la densità di potenza effettivamente raggiungibile garantendo un’adeguata affidabilità del convertitore dipende fortemente dalla capacità del sistema di smaltire il calore generato dalle perdite elettriche di esso. Inizialmente, perciò, è stato realizzato lo schematico, ovvero il documento in cui si progetta la topologia dei circuiti elettrici che concorrono alla realizzazione del convertitore e si selezionano i componenti. In questa fase si determinano anche altre caratteristiche costruttive che vanno ad influenzare l’ingombro totale del convertitore e che è necessario, perciò, definire per la fase successiva -la cui realizzazione esula da questo lavoro di tesi- ovvero la progettazione dello sbroglio su PCB (Printed Board Circuit). Esse consistono nella scelta dei componenti in termini di dimensione e di package, il contenitore fisico che protegge un componente a semiconduttore e ne permette il collegamento elettrico e meccanico con il PCB e determina lo scambio del calore con l’ambiente. Sulla base delle scelte progettuali adottate, è stata stimata analiticamente la massima potenza dissipabile dal convertitore, al fine di individuare i valori di corrente di carico e frequenza di commutazione compatibili con i vincoli termici. La validità delle stime è stata quindi verificata sperimentalmente presso il laboratorio PETRA del DITEN mediante prove condotte su un convertitore DC/DC dotato di una struttura termica analoga a quella del convertitore progettato.

The work presented in this thesis consists of the design of an 800V three-phase SiC inverter, a standard for HEV batteries, with a particular focus on thermal sizing, since the power density that can actually be achieved while ensuring adequate converter reliability depends heavily on the system’s ability to dissipate the heat generated by its electrical losses. Initially, therefore, the schematic was developed—that is, the document in which the topology of the electrical circuits contributing to the converter’s construction is designed and the components are selected. At this stage, other design characteristics are also determined that influence the converter’s overall dimensions and must therefore be defined for the next phase—the implementation of which falls outside the scope of this thesis—namely, the PCB (Printed Circuit Board) layout design. These involve selecting components based on their size and package—the physical housing that protects a semiconductor component, enables its electrical and mechanical connection to the PCB, and governs heat exchange with the environment. Based on the design choices made, the maximum power that the converter can dissipate was analytically estimated in order to identify the load current and switching frequency values compatible with the thermal constraints. The validity of the estimates was therefore verified experimentally at the PETRA laboratory of DITEN through tests conducted on a DC/DC converter with a thermal structure similar to that of the designed converter.