Design and thermal analysis of a bidirectional AC/DC converter working as an active front end

Combination of growing demand for electric vehicles and announcements by many automakers to halt the production of internal combustion cars in the near future is leading to new challenges for scientific research. One of them is the development of faster and more efficient charging stations capable of recharging electric vehicles batteries as quick as possible. One of the most important requirements for these charging stations is the compatibility with new electric vehicles architectures which are shifting from the actual 400 V to 800 V to increase their efficiency. As a result, a new generation of charging stations converters have to be developed. The aim of this thesis is to design a converter for fast-charging applications of electric vehicles which is also capable of implementing the Vehicle-to-Grid (V2G) functionality to support the electrical grid. It is going to be developed using the latest silicon carbide semiconductor technology which ensures better performances if compared to the traditional one. In order to reduce the harmonic content injected into the grid, a three-level configuration has been adopted due to the higher voltage level that needs to be managed. Great emphasis was placed on the thermal aspect. To highlight the advantages of this new technology, the behaviour of the system has been analysed and characterized through a detailed comparison with an equivalent converter made with silicon modules.

Il recente aumento dell’adozione di veicoli elettrici, unito alle dichiarazioni di molte case automobilistiche di fermare la produzione dei veicoli con motore a combustione interna nell’imminente futuro, porta nuove sfide nell’ambito della ricerca scientifica. Una di queste è lo sviluppo di stazioni di ricarica sempre più veloci ed efficienti, in grado di caricare le batterie dei veicoli elettrici nel minor tempo possibile. È opportuno che esse siano compatibili anche con le nuove architetture dei veicoli, che stanno passando dagli attuali 400 V agli 800 V, per rendere più efficienti i veicoli stessi. Questi requisiti portano alla necessità di sviluppare una nuova generazione di convertitori per le stazioni di ricarica. Questa tesi si pone l’obiettivo di dimensionare un convertitore per la ricarica rapida dei veicoli elettrici in grado di essere compatibile anche con la funzionalità Vehicle-to-Grid (V2G) a sostegno della rete. Sarà sviluppato utilizzando la nuova tecnologia di semiconduttori al carburo di silicio, che prospettano delle ottime prestazioni rispetto alla più matura tecnologia al silicio. Per ridurre il contenuto armonico immesso in rete verrà adottata una configurazione a tre livelli, giustificata anche dal maggior livello di tensione che deve essere gestito. Grande enfasi sarà posta sull’aspetto termico; verrà non solo studiato il comportamento del sistema realizzato, ma verrà anche eseguito un approfondito confronto con un equivalente convertitore realizzato con moduli al silicio, per evidenziare i benefici di questa nuova tecnologia.