Control and hardware design of a SiC MOSFET-based power converter with SiC Schottky diodes utilizing a split output topology for superior dynamic behavior

In recent years, a growing scientific and industrial interest towards the use of wide-bandgap semiconductors as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) in place of silicon in power electronic devices emerged. To evaluate the potential for performance improvement at the system-level enabled by wide-bandgap power devices, it is beneficial to realize experimental setups that allow to test the system and the devices under realistic operating conditions. In this context, this thesis work focuses on the silicon carbide technology applied to DC-AC switch-mode converters, addressing high-performance motor drive and grid-connected applications. Moreover, it deals with the evaluation of the split output converter topology as a possible solution to issues as electromagnetic interference (EMI) and the cross-talk effect arising when a converter is operated at high switching frequency. The goal of the thesis work is to design a six-phase SiC MOSFET-based power converter and its dedicated gate-drive units. A second aim is to obtain a flexible layout able to realize also a split output topology with SiC Schottky diodes and output inductors. Lastly, it is in the scope of this work verifying that the designed system is able to drive an electric motor and to provide reliable voltage and current measurements in a close-loop speed control system. As a main result of this work, the proposed converter is designed, assembled and tested. A close-loop speed control of a PMDC motor driven by one phase of the converter is designed, implemented on a micro-controller and tested, proving the validity of the designed hardware. Furthermore, a double pulse test is conducted with and without a split output configuration, confirming the advantages that such a topology can bring.

Negli ultimi anni, è emerso un crescente interesse scientifico e industriale verso l'uso di semiconduttori ad ampio bandgap come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) al posto del silicio nei dispositivi elettronici di potenza. Per valutare il miglioramento delle prestazioni a livello di sistema ottenibile con dispositivi di potenza ad ampio bandgap, è opportuno realizzare setup sperimentali che permettano di testare il sistema e i dispositivi in condizioni operative realistiche. In questo contesto, questo lavoro di tesi si concentra sulla tecnologia SiC applicata ai convertitori DC-AC, per applicazioni ad alte prestazioni nel campo dell'azionamento dei motori e per applicazioni di interfaccia alla rete elettrica. Inoltre, si occupa della valutazione della topologia di convertitore con split output come possibile soluzione a problemi come l'interferenza elettromagnetica (EMI) e l'effetto cross-talk che si verificano quando il convertitore viene fatto funzionare ad alta frequenza di commutazione. L'obiettivo del lavoro di tesi è quello di progettare un convertitore di potenza basato su MOSFET SiC a sei fasi e le sue unità di gate-drive dedicate. Un secondo obiettivo è quello di ottenere un layout flessibile in grado di realizzare anche una topologia split output con diodi Schottky SiC e induttori di uscita. Infine, è nello scopo del presente lavoro verificare che il sistema progettato sia in grado di azionare un motore elettrico e di fornire misure affidabili di tensione e corrente in un sistema di controllo della velocità in anello chiuso. Come risultato principale di questo lavoro, il convertitore proposto è stato progettato, assemblato e testato. Un controllo di velocità in anello chiuso di un motore PMDC azionato da una fase del convertitore è stato progettato, implementato su un micro-controllore e testato, dimostrando la validità dell'hardware realizzato. Inoltre, è stato condotto un test a doppio impulso con e senza una configurazione split output, confermando i vantaggi che tale topologia può portare.