Experimental characterization of intelligent power module based inverters versus discrete IGBT inverters for white-good applications

The Global movement to replace simple speed motor drives with more advanced Variable Speed Drives (VSDs) is quickly gathering pace. Driven by new regulations, such as the European Commission’s Energy-related Products (ErP) directivei, manufacturers of electric motors are having to equip their products with the ability to match their speed and power output to the load, providing for a reduction in average power consumption. Increasing the efficiency of electric motors reduces both the operating costs and the environmental impact of energy generation: by installing inverters and high-efficiency motors, some 43TWh of energy could be saved annually in the European Union aloneii. The common type of power circuit used is an inverter. A motor’s inverter may be designed as a discrete circuit made up of as many as 30 components but power IC manufacturers, have recently developed the Intelligent Power Modules (IPMs) which is a component in a single package integrates most of the components of inverter circuit. In general, modules offer the advantages of smaller size, good performance and ease of use. The project developed by myself during the internship in the Whirlpool Cooperation. Which is the white good manufacturer that is investigating on the different inverter technologies to achieve better electrical performance with compact sizes and the lower overall system cost. The aim of this project is to compare two voltage source type inverters based on two different design methodology. We will start from the circuit design step the first inverter schematic will consist of Integrated Power Modules (IPM) and the second inverter design will be based on classical architecture discrete Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT). Later we will perform the electrical signal checks in order to be sure correct working of the designs performed. After the design process completed we will evaluate the different characteristics of the both inverter designs such as electrical efficiency achievements and thermal behaviors of the both inverters. In the final conclusion we will mention about each step from the beginning to let the reader to have understanding which design is beneficiary, what are the difficulties faced for each steps. The target design for the inverter will be a 200 V PMSM motor with a 5A current which aimed for the North America market. 5`The hardware designed in the project will be based on initial calculations and simulations. Not all design parameters can be simulated within the project. The theoretical calculations are based on parameters extracted from data sheets and other supplier information. Updates on the parameters will be made with measurements on the hardware to get more realistic values, but all parameters cannot be measured so some of the parameters will be kept from the information in the data sheets.

Il movimento globale per sostituire semplici azionamenti di motori a velocità con azionamenti a velocità variabile (VSD) più avanzati sta rapidamente accelerando. Spinti da nuove normative, come la direttiva sui prodotti energetici (ERP) della Commissione europea, i produttori di motori elettrici devono dotare i loro prodotti della capacità di adeguare la loro velocità e potenza al carico, garantendo una riduzione della potenza media consumo. L'aumento dell'efficienza dei motori elettrici riduce sia i costi operativi sia l'impatto ambientale della generazione di energia: installando inverter e motori ad alta efficienza, si potrebbe risparmiare annualmente circa 43TW di energia nella sola Unione Europea. Il tipo comune di circuito di potenza utilizzato è un inverter. L'inverter di un motore può essere progettato come un circuito discreto composto da un massimo di 30 componenti ma i produttori di circuiti integrati di potenza, hanno recentemente sviluppato gli Intelligent Power Modules (IPM) che è un componente in un singolo pacchetto integra la maggior parte dei componenti del circuito dell'inverter. In generale, i moduli offrono i vantaggi di dimensioni ridotte, buone prestazioni e facilità d'uso. Il progetto sviluppato da me stesso durante lo stage nella Cooperazione Whirlpool. Qual è il buon produttore bianco che sta studiando le diverse tecnologie di inverter per ottenere migliori prestazioni elettriche con dimensioni compatte e costi di sistema complessivi inferiori. Lo scopo di questo progetto è quello di confrontare due inverter di tipo sorgente di tensione basati su due diverse metodologie di progettazione. Inizieremo dalla fase di progettazione del circuito, il primo schema di inverter sarà costituito da moduli di potenza integrati (IPM) e il secondo progetto di inverter sarà basato su transistor bipolari a gate isolato discreto di architettura classica (IGBT). Successivamente eseguiremo i controlli del segnale elettrico per essere sicuri che il corretto funzionamento dei progetti eseguiti. 9 Dopo aver completato il processo di progettazione, valuteremo le diverse caratteristiche di entrambi i progetti di inverter, come i risultati di efficienza elettrica e i comportamenti termici di entrambi gli inverter. Nella conclusione finale menzioneremo ogni passo dall'inizio per consentire al lettore di comprendere quale progetto è il beneficiario, quali sono le difficoltà incontrate per ogni passaggio. Il design target per l'inverter sarà un motore PMSM da 200 V con una corrente di 5 A che mirava al mercato nordamericano. 5`L'hardware progettato nel progetto si baserà su calcoli e simulazioni iniziali. Non tutti i parametri di progettazione possono essere simulati all'interno del progetto. I calcoli teorici si basano su parametri estratti da schede tecniche e altre informazioni sui fornitori. Verranno effettuati aggiornamenti sui parametri con misurazioni sull'hardware per ottenere valori più realistici, ma non tutti i parametri possono essere misurati, quindi alcuni dei parametri verranno mantenuti dalle informazioni contenute nelle schede tecniche.