High Efficiency Power Converters for Vehicular Applications

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.