Preliminary design of an inverter for moto-student application

This thesis is related to the preliminary investigation of the design of a three-phase voltage source inverter for an application into the automotive sector. All the specifications and reasoning for such requirements will be discussed and explained. The first step of the work is dedicated to the selection of the components and modulation techniques based on the given data and requirements. The model of the inverter is designed and simulated with a MATLAB/SIMULINK software. After creating the model the next step was to estimate dissipated power in order to create thermal model and analyse the need of the design of the cooling system. Estimation of switching MOSFET power losses is not as straightforward as for conduction losses. Hence, this thesis proposes an alternative method for switching power loss calculation. The approach is based on the voltage and current transient times evaluation of the switch. The challenge for this task is that many MOSFET data-sheet do not provide switching energy losses directly. Therefore, for acquiring switching energy losses voltage and current rise and fall times have to be estimated. Finally, after total power dissipation is acquired the thermal management modelling and reference for cooling system design was provided in order to prevent overheat and damage of the inverter.

Questa tesi riguarda lo studio preliminare finalizzato alla progettazione di un inverter trifase per applicazioni nel settore automotive. Tutte le specifiche, le ipotesi ed i requisiti adottati sono discussi e spiegati nel testo. La prima fase del lavoro è dedicata alla selezione dei componenti e alla descrizione delle tecniche di modulazione utilizzabili sulla base dei dati e dei requisiti forniti. Il modello dell’inverter è stato realizzato e simulato con MATLAB/SIMULINK. Dopo aver creato il modello, il passo successivo è stato stimare la potenza dissipata al fine di creare un modello termico e analizzare la progettazione del sistema di raffreddamento più adeguato. La stima delle perdite di potenza del MOSFET di commutazione non è così semplice come per le perdite di conduzione. Pertanto, questa tesi propone un metodo per il calcolo delle perdite di potenza per commutazione. L’approccio si basa sulla valutazione dei tempi dei transitori di tensione e corrente dell’interruttore. La complicazione è che molti datasheet dei MOSFET non forniscono direttamente il dato dell’energia persa per commutazione. Perciò, la stima dei tempi di salita e discesa di tensione e corrente è necessaria a questo scopo. Infine, dopo la valutazione della dissipazione di potenza totale, è stata modellata la dissipazione termica verso l’ambiente e viene proposto una possibile progettazione del sistema di raffreddamento al fine di prevenire il surriscaldamento e il danneggiamento dell’inverter.