Development of control techniques and their impact on conducted emissions in an automotive SiC inverter

Governments heightened their policy focus on electrifying road transport and put forward tangible milestones to stimulate CO2 emissions reductions to meet net zero emissions targets for 2050. Major efforts involve research about renewable power production and transportation systems, both private and public mobility, with the ambition to ban internal combustion engine (ICE) vehicles and move towards electric vehicle (EV). The integration of high power electric drive systems into electric vehicles leads to an increasing level of electromagnetic interferences (EMIs) and represents new challenges in Electromagnetic Compatibility (EMC). The powertrain, involving power inverters and converters, is the main cause of conducted emissions (CEs) generation through the whole structure. These emissions could compromise the operation of susceptible electronic circuits such as the battery, the engine control units, the low voltage system. The aim of this thesis is the realization of different control techniques on a three-phase automotive SiC 300 kW inverter and the study of the EMI conducted emission impact generated by these in a real pre-compliance test setup, according to the automotive standards CISPR 25. The understanding of how the electric drive influences the system behavior is crucial to have a basic knowledge of what expect during the design and validation of EMC filters. This work implements two classical control techniques for induction motors: V/Hz and Field Oriented Control (FOC). A preliminary study is conducted in a simulation environment necessary for the design and tuning phase of the control schemes and, subsequently, the experimental implementation on a “TI Delfino” microcontroller. Simulation and design were implemented in “MATLAB Simulink”. After the control techniques validation, the conducted emissions are measured and compared to see the impact of both in frequency and time domain.

I governi hanno intensificato l'attenzione politica sull'elettrificazione del trasporto stradale e hanno proposto tappe concrete per stimolare la riduzione delle emissioni di CO2 con l'obiettivo di raggiungere una rete stradale ad emissioni zero per il 2050. I principali sforzi riguardano la ricerca sulla produzione di energia rinnovabile e sui sistemi di trasporto, sia per la mobilità privata che per quella pubblica, con l'ambizione di sostituire i veicoli con motore a combustione interna (ICE) con veicoli elettrici (EV). L'integrazione di sistemi a trazione elettrica di alta potenza nei veicoli elettrici comporta un aumento del livello di interferenze elettromagnetiche (EMI) ed introducono nuove problematiche legate alla compatibilità elettromagnetica (EMC). Il powertrain, con principalemente inverter e convertitori di potenza, è la fonte primaria di generazione di emissioni condotte (CE), le quali si propagano attraverso l'intera struttura. Queste potrebbero compromettere il funzionamento dei circuiti elettronici sensibili, come la batteria, le unità di controllo del motore e i sistemi a bassa tensione. Questa tesi si focalizza sulla realizzazione di diverse tecniche di controllo implementate su un inverter automotive trifase SiC da 300 kW e lo studio dell'impatto delle emissioni condotte EMI generate da queste in un test setup di pre-compliance reale, secondo gli standard automobilistici CISPR 25. La comprensione di come l'azionamento elettrico influenzi il comportamento del sistema è fondamentale per avere una conoscenza di base di ciò che si aspetta di avere durante la validazione e la realizzazione dei filtri EMC. Questo lavoro prevede l'implementazione di due delle tecniche di controllo più diffuse su un motore a induzione: V/Hz e Field Oriented Control (FOC). Uno studio preliminare è stato condotto in un ambiente di simulazione, necessario per la fase di progettazione e messa a punto degli schemi di controllo e, successivamente, l'implementazione sperimentale sul microcontrollore “TI Delfino”. Simulazione e progettazione sono state implementate in “MATLAB Simulink”. Dopo la loro validazione, sono state misurate le emissioni condotte e confrontate per vedere l'impatto sia nel dominio della frequenza che in quello del tempo.