Riassunto analitico
I benefici dei dispositivi SiC MOSFETs, rispetto ai Si IGBTs, tra cui la più alta frequenza di switch ammissibile, la maggiore densità di potenza, la più elevate temperatura operativa e la minore dissipazione di energia dovuta allo switch, sono la dimostrazione che inverter più efficienti, possono essere progettati anche per il settore automobilistico, rispetto a quelli attualmente utilizzati. Dopo una valutazione preliminare dell’ impatto della tecnologia dei semiconduttori sull’inverter, l’adozione di quest’ultima nei veicoli è stata investigata. Per integrare con successo la tecnologia, sono stati effettuati degli studi termici e l’analisi del sistema di raffreddamento. La tesi riguarda l’introduzione di moduli di potenza basati su transistors SiC MOSFETs in un inverter dedicato alla trazione, grazie a simulazioni termiche e alla progettazione di un sistema di raffreddamento per veicoli elettrici, capace di garantire temperature ottimali di funzionamento, in un range limitato al di sotto della massima temperatura consentita. Inoltre, la possibilità di progettare un sistema di raffreddamento in un veicolo ibrido, capace di rimuovere il circuito di raffreddamento dedicato esclusivamente all’ unità di elettronica di potenza (PCU) e usare solo il circuito di raffreddamento principale utilizzato dal motore termico, al fine di ridurre masse, pesi e costi è stato investigato. Durante questa fase, differenti geometrie del cooling plate con le rispettive prestazioni sono state prese in considerazione. In conclusione, una metodologia per simulare con la verifica delle temperature finali nei semiconduttori, i moduli di potenza combinati con il cooling plate, durante condizioni di guida reali e cicli guida normati, coprendo diversi livelli di simulazione (simulazione elettrica dei dispositive, simulazione del sistema veicolo e simulazioni CFD 3D), è stata sviluppata interfacciando il tutto.
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Abstract
The benefits of the SiC MOSFETs power devices compared to the Si IGBTs, such as the faster switching frequency, the higher power density, the higher operating temperature and the less energy losses due to the switch, are the demonstration that more efficient inverters, also for the automotive sector, can be designed compared to the existing ones.
After a preliminary evaluation of the technology impact on the final inverter system, the adoption of the latter into a vehicle has been investigated. To successful integrate the technology, thermal studies and cooling system analysis have been done.
The topic of this thesis concerns the introduction of the SiC Mosfet based power modules in a traction inverter thanks to thermal simulations and the design of a cooling system for EV vehicle able to guarantee proper devices temperatures, in a defined range, below the maximum allowed.
Furthermore, the possibility to design a cooling system in a HEV able to remove the auxiliary, dedicated, PCU cooling system and using only the main engine one, reducing mass, weights and coasts, has been investigated. During this step many cooling plate geometries with respective performances have been taken into account.
Finally, last but not least, a methodology to simulate with final temperatures verification, the power modules combined with the designed cooling plate, during real drive conditions and driving cycles, covering many simulations level (devices electrical simulations, vehicle simulations and 3D CFD simulations) and interfacing everything has been developed.
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