Thermal modeling of a traction converter: simulation and verification of the inverter and line chopper

Power losses produce temperature rises in power electronic devices, such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs), that can lead to performance and reliability issues, even premature ageing. To guarantee safe operation and prevent degradation of the device, it is necessary a monitoring scheme able to predict its junction temperature. The resistance-capacitance (RC) thermal network is a common electrical method for temperature estimation based on the thermal-electrical correspondence of parameters. It has two possible topologies: Cauer and Foster model. In this document, a thermal model for the main components of a traction converter (line chopper and inverter), based in the RC thermal network, is implemented, and validated in Simulink MATLAB through the comparison of the results obtained computationally and values from a real test to the traction system. Finally, a further verification of the model was done in a real time simulator called Typhoon HIL.

Le perdite di potenza producono aumenti di temperatura nei dispositivi elettronici di potenza, come i transistor bipolari a gate isolato (IGBT), che possono portare a problemi di prestazioni e affidabilità, persino all'invecchiamento precoce. Per garantire un funzionamento sicuro e prevenire il degrado del dispositivo, è necessario uno schema di monitoraggio in grado di prevederne la temperatura di giunzione. La rete termica resistenza-capacità (RC) è un metodo elettrico comune per la stima della temperatura basato sulla corrispondenza termico-elettrica dei parametri. Ha due possibili topologie: modello di Cauer e Foster. In questo documento, un modello termico per i componenti principali di un convertitore di trazione (chopper di linea e inverter), basato sulla rete termica RC, viene implementato e convalidato in Simulink MATLAB attraverso il confronto dei risultati ottenuti computazionalmente e dei valori reali ricavati durante una prova del convertitore di trazione. Infine, è stata effettuata un'ulteriore verifica del modello in un simulatore in tempo reale chiamato Typhoon HIL.