Three-phase silicon carbide MOSFET 700V inverter for industrial electric vehicles

Silicon has been the most used substrate in the development of electronic components, even for high power applications semiconductors like IGBTs. It is believed that the technological limitations of this substrate are being reached, when it comes to power electronics applications. The called wide-bandgap materials, are being studied as the silicon replacement, therefore two materials of this classification are already being commercialized in form of semiconductors, the silicon carbide (SiC) and the gallium nitride (GaN). Those components show significant improvements in a vast range of characteristics, from thermal conductivity to internal resistance. SiC metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) can be seen as a possible switch candidate to several power electronics applications, being one them the conversion from direct current to alternate current in the frequency inverter architecture. The inverter architecture has attracted focus of study because it can be used mainly to provide uninterruptable AC power supply and to drive AC motors. Thus, the inverter architecture is growing in interest as the alternate current motors are also being more used. The reason for that is the crescent need to stop the fossil fuel consumption of the combustion engines used in the majority of cars and industrial vehicles. On this thesis the feasibility to use the SiC MOSFET as the switches for driving a battery powered 700V three-phase frequency inverter circuit for industrial vehicles will be studied. The MOSFET will be modeled and simulated, in order to find their power losses and compared to the theorical calculations. And finally, the junction temperature for the MOSFET will be evaluated in different working conditions. Outside of the power electronics subject and into the electrical vehicle application. The rotary velocity sensors will be studied due to its necessity to every electrical vehicle application. Different circuits to interface the sensor to the microcontroller will be presented for every sensor mentioned. Simulations will be carried out to prove the effectiveness of those circuits. On the last part the electric circuit interface between the microcontroller and the chosen MOSFET module will be developed with idea of developing a prototype. The sensor circuit and the interface were studied to check the immunity to electric noise due to electromagnetic emission caused by power stage of the converter. And then, a printed circuit board is created for the prototyping purpose, although the prototype analysis will not be done on this thesis due to the COVID-19 emergency situation.

Il silicio è stato il substrato più utilizzato nello sviluppo di componenti elettronici sia per i dispositivi a semiconduttore che per applicazioni ad alta potenza come gli IGBT. Si ritiene che si stiano raggiungendo i limiti tecnologici di questo substrato, quando si tratta di applicazioni di elettronica di potenza. I materiali “wide-bandgap”, sono allo studio come sostituti del silicio, pertanto due materiali di questa classificazione sono già in commercio sotto forma di semiconduttori, il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN). Questi componenti mostrano miglioramenti significativi in una vasta gamma di caratteristiche, dalla conduttività termica alla resistenza interna. Il transistor ad effetto di campo a semiconduttore in ossido di metallo (MOSFET) SiC può essere visto come un possibile dispositivo candidato a diverse applicazioni dell’elettronica di potenza, tra cui la conversione da corrente continua a corrente alternata nell’architettura dell’inverter. Tale architettura è stata oggetto di studio in questo lavoro perché può essere utilizzata principalmente per fornire alimentazione in corrente alternata a innumerevoli applicazioni. Pertanto l’architettura dell’inverter sta crescendo di interesse poiché anche i motori in corrente alternata sono sempre più utilizzati. La ragione di ciò è la crescente necessità di fermare il consumo di combustibili fossili dei motori a combustione utilizzati nella maggior parte delle auto e dei veicoli industriali. In questa tesi verrà studiata la fattibilità di utilizzare i MOSFET SiC come interruttori per il pilotaggio di un circuito inverter trifase da 700V alimentato a batteria per veicoli industriali. I MOSFET saranno modellati e simulati, al fine di trovare le loro perdite di potenza e confrontati con i calcoli teorici. Infine, verrà valutata la temperatura di giunzione per il MOSFET in diverse condizioni di lavoro. Oltre allo studio dell’elettronica di potenza per l’applicazione in oggetto anche i circuiti elettronici di interfaccia per i sensori di velocità saranno studiati. Verranno presentati diversi circuiti per interfacciare i sensori al microcontrollore. Verranno effettuate simulazioni per dimostrare l’efficacia di tali circuiti. Nell’ultima parte verrà sviluppata l’interfaccia del circuito elettronico tra il microcontrollore e il modulo MOSFET prescelto con l’idea di sviluppare un prototipo. Il circuito dei sensori e l’interfaccia sono stati studiati per verificare l’immunità ai disturbi elettrici dovuti all’emissione elettromagnetica causata dallo stadio di potenza del convertitore. E poi, viene creato un circuito stampato per lo scopo di prototipazione, anche se l’analisi del prototipo non verrà effettuata su questa tesi a causa della situazione di emergenza COVID-19.