Convertitori di potenza basati su semiconduttori a larga banda proibita per una maggiore efficienza e affidabilità

The world of power electronics and electric drives is nowadays leading towards more compact, efficient, and reliable solutions. With the penetration of wide-bandgap transistors in the market, this tendency is speeding up. These semiconductors have already been proven to be more efficient than their Silicon counterparts. Silicon Carbide, SiC, and Gallium Nitride, GaN devices have smaller parasitic reactive elements, and therefore they can be operated at higher switching frequencies, significantly reducing the volume and weight of the converter. While for defense, high-efficient static conversion and any other performance-oriented applications they are the present, for industrial and automotive drives, the cost remains the main obstacle to their diffusion. In these cases, a correct and detailed preliminary design is mandatory. A precise and fast power losses model for these WBG transistors becomes necessary to make a proper comparison of the solution. This work introduces the basic concepts and newest developments on WBG devices, then proceeds with the development of the power losses model, which will be used throughout the whole thesis for the efficiency estimation of converters which have been studied and developed subsequently. In the thesis, converters with SiC technology are dissected: especially photovoltaic and current source inverters for both renewable and industrial applications, as well as a resonant converter for on-board battery charger. The elements of novelty include innovative control strategies and new modulation techniques with a new insight on the impact of these drives on the motor losses for a Flywheel Energy Storage System application. In this way, the research on converters with WBG devices for improved efficiency and reliability is addressed in this thesis.

Il settore dell’elettronica di potenza e degli azionamenti elettrici è oggi orientato verso soluzioni sempre più compatte, efficienti e affidabili. Con la progressiva diffusione dei transistor a banda larga (Wide-BandGap, WBG) sul mercato, tale tendenza sta incontrando un’ulteriore accelerazione. È ormai comprovato che questi semiconduttori offrono prestazioni superiori rispetto alle tradizionali controparti in silicio. I dispositivi in carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN) presentano elementi parassiti reattivi di piccola entità e possono pertanto operare a frequenze di commutazione più elevate, consentendo una significativa riduzione del volume e del peso dei convertitori. Se in ambiti quali la difesa, la conversione statica ad alta efficienza e, più in generale, le applicazioni orientate alle prestazioni, tali tecnologie rappresentano già una realtà consolidata, nei settori industriale e automobilistico il costo costituisce ancora il principale ostacolo alla loro diffusione su larga scala. In questi contesti, una progettazione preliminare accurata e dettagliata risulta imprescindibile. Ne consegue la necessità di disporre di un modello preciso e rapido per la stima delle perdite di potenza nei transistor WBG, al fine di effettuare un confronto appropriato tra le diverse soluzioni tecniche, per poi. In questo contesto, il presente lavoro introduce i concetti fondamentali e gli sviluppi più recenti relativi ai dispositivi WBG, per poi concentrarsi sull’elaborazione di un modello delle perdite di potenza, utilizzato per la stima dell’efficienza dei convertitori analizzati e sviluppati nel corso della tesi. In particolare, vengono esaminati convertitori basati su tecnologia SiC, tra cui inverter fotovoltaici e a sorgente di corrente destinati sia ad applicazioni nel campo delle energie rinnovabili sia a contesti industriali, oltre a un convertitore risonante impiegato per caricabatterie di bordo per veicoli elettrici. Gli elementi di novità del lavoro comprendono strategie di controllo innovative e nuove tecniche di modulazione, accompagnate da un’analisi originale e dettagliata dell’impatto di tali azionamenti sulle perdite del motore in un sistema di accumulo di energia a volano (Flywheel Energy Storage System). In tal modo, la ricerca qui presentata affronta in maniera organica lo studio dei convertitori basati su dispositivi WBG, con l’obiettivo di migliorarne l’efficienza e l’affidabilità complessiva.