WBG-based Current Source Inverter for Motor Drive Application [Inverter a Corrente Impressa con dispositivi WBG per azionamenti elettrici]

This thesis investigates the feasibility of utilising Current Source Inverters (CSIs) in motor drive applications. The working principle of the CSI is initially discussed through an analytical model, along with an analysis of the switching transitions and commutation process. Modulation techniques based on Space Vector Modulation (SVM) are explored, including the main switching sequences adopted. The primary contribution involves a generalisation of all possible switching patterns, accounting for permutations of dwell times. A novel and systematic nomenclature is also introduced to define and classify these sequences. The concept of overlap time and its impact on inverter performance is thoroughly analysed. A generalised compensation method is proposed, which effectively mitigates the Total Harmonic Distortion (THD) of the output waveforms, leading to significant improvements in power quality and amplitude modulation index. Considerations related to the implementation of overlap time compensation, including associated benefits and challenges, are also discussed. This research study investigates the use of Reverse-Blocking-Voltage (RB) switches and bidirectional (BD) switches, employing SiC MOSFETs, SiC Schottky diodes and GaN HEMT power devices. New converter topologies equipped with bidirectional switches have been analysed to enhance the overall converter efficiency, including CSI with seven and eight switches, which have recently been introduced in the literature. An analytical model to predict conduction losses among all the different topologies is presented. The modelling of a complete drive system with a DC/DC converter and CSI has been realised using behavioural switches and accounting for the parasitics of the passive components. This has resulted in highly accurate simulation results, which have been validated through experimental tests. Two SiC-based CSI prototypes have been developed for experimental analysis: the first is equipped with RB switches, while the second features four quadrant BD switches. In addition, a comprehensive experimental analysis is provided, which compares two-level CSIs and two-level VSIs using SiC discrete BD power MOSFETs. Experimental tests have been conducted across various torque-speed operating points on a three-phase induction motor drive. The comparison focuses on various performance metrics, including THD of voltages and currents, passive losses, and converters efficiency comparisons. Finally, the design of a GaN-based CSI and the characterisation of BD GaN devices are presented.

Questa tesi valuta la fattibilità dell'utilizzo degli inverter a sorgente di corrente (CSI) nelle applicazioni di azionamento dei motori. Il principio di funzionamento del CSI viene inizialmente discusso attraverso un modello analitico, insieme a un'analisi delle transizioni di commutazione e del processo di commutazione. Vengono esplorate le tecniche di modulazione basate sulla modulazione Space Vector (SVM), comprese le principali sequenze di commutazione adottate. Il contributo principale riguarda la generalizzazione di tutti i possibili schemi di commutazione, tenendo conto delle permutazioni dei tempi degli stati attivi e nulli. Viene inoltre introdotta una nomenclatura nuova e sistematica per definire e classificare queste sequenze. Il concetto di tempo di sovrapposizione e il suo impatto sulle prestazioni dell'inverter sono analizzati a fondo. Viene proposto un metodo di compensazione generalizzato, che attenua efficacemente la distorsione armonica totale (THD) delle forme d'onda in uscita, portando a miglioramenti significativi della qualità delle forme d'onda dell'inverter e dell'indice di modulazione di ampiezza. Vengono inoltre discusse le considerazioni relative all'implementazione della compensazione del tempo di sovrapposizione, compresi i vantaggi e le sfide associate. Questa ricerca analizza l'uso di dispositivi che bloccano la tensione inversa (RB) e quelli bidirezionali (BD), impiegando MOSFET SiC, diodi Schottky SiC e dispositivi basati su tecnologia GaN HEMT. Sono state analizzate nuove topologie di convertitori dotati di dispositibi bidirezionali per migliorare l'efficienza complessiva del convertitore, tra cui CSI con sette e otto dispositivi, recentemente introdotti in letteratura. È stato presentato un modello analitico per prevedere le perdite di conduzione tra tutte le diverse topologie. Il modello di un sistema di azionamento completo con convertitore DC/DC e CSI è stato realizzato utilizzando dispositivi comportamentali e tenendo conto delle parassiti dei componenti passivi. Ciò ha permesso di ottenere risultati di simulazione molto accurati, che sono stati convalidati attraverso test sperimentali. Per l'analisi sperimentale sono stati sviluppati due prototipi CSI basati su SiC: il primo è dotato di dispositivo RB, mentre il secondo presenta dispositivi BD a quattro quadranti. Inoltre, viene fornita un'analisi sperimentale completa che confronta i CSI a due livelli e i VSI a due livelli che utilizzano MOSFET di potenza BD discreti SiC. I test sperimentali sono stati condotti su vari punti di funzionamento della coppia e della velocità di un motore a induzione trifase. Il confronto si concentra su varie metriche di prestazione, tra cui la THD di tensioni e correnti, le perdite sui passivi e il confronto dell'efficienza dei convertitori. Infine, vengono presentati il progetto di un CSI con dispositivi di potenza GaN e la caratterizzazione di questi ultimi.