Performance evaluation of SiC-based multidevice interleaved boost converter for electric vehicles

For electric vehicles to replace conventional vehicles, the barriers limiting their performance must be reduced. For this reason, this study aimed to increase the performance of energy management DC-DC converters, one of the important parts of the powertrains of electric vehicles. Converters with silicon semiconductors are far from meeting the needs of the automotive industry due to the limiting effects of silicon. Therefore, the characteristics of wide-bandgap semiconductors with respect to silicon ones have been investigated. Thanks to the physical advantages of wide-bandgap semiconductors, it has been proven that they can theoretically perform better than silicon semiconductors under electrical vehicle environment conditions. SiC semiconductors are preferred to be used in this study because they have the most mature technology and the highest breakdown voltage values among the wide-bandgap semiconductors. In order to make the best use of SiC semiconductors, the multidevice interleaved boost converter topology has been chosen as the most suitable topology for electric vehicles. To prove the superiority of SiC semiconductors with the proposed topology, the energy management converter of the Toyota 2010 Prius vehicle was reconstructed with the obtained information. Power losses and efficiencies of Si-based benchmark converter and SiC-based MDIBC were calculated with the help of PSpice simulation software. It was observed that the benchmark converter achieved an efficiency of 97.1% at the junction temperature of 125℃, while the SiC-based MDIBC converter achieved an efficiency of 98.2% and an advantage of 1.1%. Also, the SiC-based converter provided a 5% input current ripple rate with an inductance value of more than 40% lower than the benchmark converter.

Affinché in un prossimo futuro i veicoli elettrici possano efficacemente sostituire i veicoli convenzionali con motore a combustione, è necessario individuare nuove soluzioni che consentano di aumentarne le prestazioni. Questo lavoro di tesi si è concentrato sul miglioramento dell’efficienza del convertitore DC-DC che agisce da interfaccia tra batteria e bus DC ad alta tensione, uno dei componenti fondamentali di un veicolo elettrico. I convertitori basati su dispositivi in silicio sono lontani dal soddisfare le esigenze dell'industria automobilistica, a causa della limitata efficienza energetica. Per ovviare a questo problema è stato considerato l’uso di semiconduttori ad ampio gap (Wide Bandgap Semiconductor – WBG), come il carburo di silicio (SiC) o il nitruro di gallio (GaN). Oltre ad essere utilizzabili ad alta temperatura, condizione tipicamente incontrata in campo automotive, le caratteristiche fisiche di questi semiconduttori consentono di ottenere minori perdite di conduzione e di commutazione, consentendo di ottenere efficienze più elevate e ingombri ridotti. In questo studio è stata presa in considerazione la tecnologia SiC, che è la più matura tra le tecnologie WBG e quindi la più attrattiva dal punto di vista dell’industria manifatturiera. Al fine di sfruttare al meglio i semiconduttori WBG, la topologia “multidevice interleaved boost (MDIBC)” è stata scelta come la più adatta per i veicoli elettrici. Per dimostrare la superiorità dei dispositivi in SiC utilizzati nella topologia proposta, è stato adottato come riferimento il convertitore DC-DC del veicolo Toyota 2010 Prius, la cui struttura e prestazioni sono state ricostruite sulla base delle informazioni disponibili al pubblico. Il confronto tra l’efficienza del convertitore di riferimento, basato su dispositivi in Si e l’efficienza del convertitore MDIBC, basato su SiC, è stato effettuato con l’aiuto del software di simulazione PSpice. Le simulazioni mostrano come l’efficienza del convertitore di riferimento raggiunga il 97.1% alla temperatura di giunzione di 125 °C, mentre l’efficienza del convertitore MDIBC basato su dispositivi in SiC sia in grado di raggiungere il 98.2%, con un consistente vantaggio dell'1.1%. Inoltre, il convertitore MDBIC è in grado di contenere il ripple della corrente d’ingresso entro il 5% con un valore di induttanza inferiore di oltre il 40% rispetto al convertitore di riferimento.