System investigation of GaN drives for low inductance applications

This project aims to investigate the interaction between Gallium Nitride (GaN) inverters and low inductance motors. The possible applications of these technologies are related to collaborative robots, in which precision is one of the fundamental targets, as well as to wheel hub drives, electric aircraft and wind turbines, characterized by high power-to-weight ratio and compactness requirements. The special type of motor known as Coreless Axial Flux Permanent Magnet (CAFPM) motor offers advantages such as higher power density, lower weight and size, and reduced cogging torque with respect to traditional radial flux machines, however, being identified by low inductances its main drawback is related to the high current and torque ripples that can be generated. In order to mitigate this problem, it is required to adopt higher commutation frequencies, which are obtained through faster switches. GaN semiconductors enable these very fast switchings while keeping also the related power losses limited. This thesis points out analytically the improvement in terms of current and torque ripple reduction that can be achieved by increasing the switching frequency. Furthermore, through a deep evaluation of the related motor and inverter power losses, the system’s optimal working point is highlighted. The methodology followed, consists in the development of a model composed by controller, inverter, and motor in order to simulate the system and in the subsequent evaluation of switching, conduction, and free-wheeling path losses for the inverter, and high frequency and resistive losses for the motor, being these the major power waste components. Concerning results, it is proved a reduction in the current and torque ripples below 5% (current ripple to peak ratio) for switching frequencies higher than 100 kHz. Looking at the optimal working point, the lowest value in terms of losses is achieved at 156.9 kHz adopting GaN while at 98.3 kHz using Silicon (Si), considering a scenario characterized by 100 rpm of speed and 1 Nm of torque. The same procedure is repeated for different velocities, torques, and currents highlighting each time the optimal working point computed.

Questo progetto ha lo scopo di investigare l’interazione tra gli inverter in Nitruro di Gallio (GaN) e i motori a bassa induttanza. Le possibili applicazioni riguardano i collaborative robots, dove la precisione è fondamentale, o ancora i motori in-wheel, gli aerei elettrici e le turbine eoliche, caratterizzati da requisiti di compattezza e rapporto potenza peso elevati. La speciale tipologia di motori conosciuta come Coreless Axial Flux Permanent Magnet (CAFPM) motors offre vantaggi quali una maggior densità di potenza, minor peso e dimensione, e ridotta coppia parassita rispetto alle macchine a flusso radiale, ma essendo contraddistinta da bassa induttanza il suo difetto principale risiede nella generazione di ampie oscillazioni sulla corrente e sulla coppia. Al fine di attenuare questo problema è necessario adottare frequenze di switch più elevate, ottenibili tramite l’ausilio di un'elettronica di potenza basata su materiali innovativi come il GaN, il quale consente commutazioni molto veloci mantenendo inoltre le perdite di potenza limitate. Questa tesi mira a valutare analiticamente il miglioramento in termini di riduzione delle oscillazioni di corrente e coppia, e ad evidenziare il punto di lavoro ottimale del sistema attraverso una profonda analisi delle perdite di potenza associate all’inverter ed al motore. La metodologia adottata, consiste nello sviluppo di un modello composto da controllo, inverter e motore per consentire la simulazione del sistema sotto analisi, e successivamente nella disamina delle perdite dovute alla commutazione, alla conduzione e al circuito di ricircolo della corrente per l’inverter, e delle perdite resistive ed ad alta frequenza per il motore, essendo queste le maggiori cause di dispersione di potenza nell’ambiente. Per quanto riguarda i risultati, è stata dimostrata una riduzione nelle oscillazioni di corrente e coppia con valori inferiori al 5% (rapporto oscillazione e corrente di picco) per frequenze di switch maggiori di 100 kHz. Relativamente al punto di lavoro ottimale, il minor valore di perdite di potenza è stato ottenuto a 156.9 kHz utilizzando un inverter basato sul GaN e a 98.3 kHz adottando il Silicio (Si), considerando uno scenario caratterizzato da 100 rpm di velocità e 1 Nm di coppia. La medesima procedura è stata ripetuta con diverse correnti, coppie e velocità, evidenziando di volta in volta il punto di lavoro ottimale calcolato.