Analysis and thermal design of a two-level SiC three-phase inverter

The Polimi Motorcycle Factory (PMF) racing team is the team that represents the Po litecnico at the Moto Student International Competition. For some time, the team had and felt the need to have a home-made three-phase inverter. The goal was to have more design flexibility and be able to improve its performance. The thesis project involves the study and sizing of the power part of the three-phase inverter. In the second chapter, attention will be drawn to the principles of the single-phase and three-phase inverter and to its main components: the MOSFETs and the characteristics of the materials they are made of, showing their peculiarities. The Voltage Source Inverter designed for the team uses SiC, Silicon Carbide MOSFETs, and is based on a two-level Pulse Width Modulation (PWM) control. The third chapter will describe the study of the thermal analysis of the board with the inverters, done through software that uses the finite element method, F.E.M., such as An sys Icepack. This program was used to size the aluminum heat exchanger. Subsequently, the temperatures detected were used to define the thermal parameters of the heatsink. In the fourth chapter a thermo-electric model developed on Simulink by Mathwork will be presented, with which specific tests have been made to verify the junction temperatures of the MOSFETs. The different simulations allowed to carry out both static and dynamic functioning tests. Finally, a purely electrical model of a two-level three-phase inverter was tested with Simulink to verify its powers and efficiency.

Il Polimi Motorcycle Factory (PMF) racing team è il team che rappresenta il Politecnico al Moto Student International Competition. Da tempo, il team aveva e sentiva la necessità di avere un inverter trifase fatto in casa. L’obiettivo era quello di avere una maggiore flessibilità di progettazione ed essere in grado di migliorarne le prestazioni. Il progetto di tesi prevede lo studio e il dimensionamento della parte di potenza dell’inverter trifase. Nel secondo capitolo si richiamerà l’attenzione sui principi dell’inverter monofase e trifase e su i suoi componenti principali: i MOSFETs e le caratteristiche dei materiali di cui sono fatti, mostrandone le peculiarità. Il Voltage Source Inverter progettato per il team utilizza MOSFET SiC, Silicon Carbide, e si basa su un controllo PWM, Pulse Width Modulation, basato su un due livelli. Nel terzo capitolo verrà descritto lo studio dell’analisi termica dell’inverter, fatta at traverso un software che usa l’analisi degli elementi finiti, F.E.M., come Ansys Icepack. Questo programma è stato utilizzato per dimensionare lo scambiatore di calore in allu minio. Successivamente le temperature rilevate sono state usate per definire i parametri termici dello scambiatore. Nel quarto capitolo verrà presentato un modello termo-elettrico sviluppato su Simulink di Mathwork, con il quale sono stati fatti dei test specifici per verificare le temperature di giunzione dei MOSFETs. Le diverse simulazioni hanno permesso di effettuare prove di funzionamento sia statico che dinamico. Infine è stato testato con Simulink un modello puramente elettrico di un inverter trifase a due livelli per verificarne le potenze e il rendimento.