MOSFET based, edge power three-phase inverter for low voltage battery supplied applications

Electrical drives are ubiquitous in industrial environments, and thanks to the diffusion of electric vehicles in both industrial and commercial settings, their scope of utilization is still rapidly expanding. Their increasing use in mobile applications highlights the importance of efficiency, in terms of both maximization of gravimetric and volumetric power densities and minimization of energy losses, which can be achieved only with an accurate modelling of the system. These points must be considered along with the cost-effectiveness of proposed solutions, to avoid limiting their use cases to niche or high-performance applications only. This thesis work focuses on the development of a power stage for low-voltage drives, supplied with voltage levels deriving from lead-acid battery powered systems. Latest developments in discrete, silicon-substrate power MOSFETs are chosen as the basic unit for the realization of power switches, since they provide a good balance between on-state resistance and switching speed, without increasing excessively implementation costs. Initially, basic operating principles of three-phase, two-level Voltage Source Inverters are reviewed, along with the behaviour of Si-MOSFETs in clamped inductive switching applications. Starting from these concepts, a framework is developed to predict energy losses due to the chosen implementation of power switches, which is used to compare commercially available MOSFET models and to determine the number of devices that must be paralleled to satisfy design requirements. Then, different gate driving concepts and architectures are investigated, focusing on their impact on system efficiency and reliability, and a complete circuit, which also includes the isolated DC-DC converter used to supply the drivers, is proposed. Several solutions to provide isolation on analog signals used for control and monitoring purposes are then discussed, and an analysis on the sizing of DC-Link capacitors is presented, considering both RMS current and voltage ripple requirements. Finally, introduced concepts are validated experimentally by designing, manufacturing and performing some tests on a scale prototype PCB.

Gli azionamenti elettrici sono fondamentali in ambito industriale, e grazie alla recente diffusione di veicoli elettrici per applicazioni industriali e commerciali, il loro campo di utilizzo è tuttora in rapida espansione. Il loro crescente impiego in applicazioni mobili evidenzia la necessità di progettare prodotti ad elevata efficienza, intesa in termini di massimizzazione delle densità di potenza gravimetrica e volumetrica e di minimizzazione delle perdite. Questi obiettivi possono essere raggiunti attraverso una modellazione accurata del sistema in esame. Inoltre, se si vuole evitare che il prodotto rimanga confinato solo ad applicazioni di nicchia o ad elevate prestazioni, anche il lato economico deve essere considerato nella progettazione. Questo lavoro di tesi è incentrato sullo sviluppo di uno stadio di potenza per azionamenti elettrici in bassa tensione, progettato per i livelli di tensione derivati dagli accumulatori piombo-acido. La realizzazione degli interruttori di potenza è basata su MOSFET di potenza a substrato in silicio di ultima generazione, che rappresentano un buon compromesso fra resistenza di conduzione e velocità di commutazione, senza pesare eccessivamente sui costi di implementazione. Inizialmente vengono introdotti i principi operativi dell'Inverter Trifase a due livelli, assieme ad un'analisi del comportamento del MOSFET durante la commutazione di carichi induttivi. Partendo da questi concetti, viene sviluppato un modello per la stima delle perdite dovute agli interruttori di potenza, utilizzato in seguito per confrontare diversi MOSFET commerciali e per determinare il numero necessario di dispositivi da collegare in parallelo per soddisfare i requisiti di progettazione. Successivamente vengono confrontate diverse architetture per il pilotaggio dei gate, illustrando le loro conseguenze sull'efficienza e sull'affidabilità del sistema, e viene proposto un circuito completo, basato su di un convertitore DC-DC isolato. Alcune soluzioni per l'isolamento dei segnali analogici di supervisione e controllo vengono poi discusse, e viene proposta un'analisi sul dimensionamento dei condensatori di DC-Link, considerando sia i requisiti di massima variazione della tensione in ingresso, sia quelli di corrente RMS attraverso i condensatori. Infine, i concetti introdotti vengono validati sperimentalmente, attraverso la progettazione, l'assemblaggio e il collaudo di una versione in scala del circuito.