A new modulation strategy for power sharing and the reduction of inverter losses in open-end winding motor drives

This thesis focuses on the study and development of modulation strategies for open- end winding motors. This architecture represents a valid alternative to multilevel converters for high-efficiency energy applications. Furthermore, it is a promising configuration for specific contexts, particularly in electric and hybrid vehicles, thanks to its ability to manage two isolated DC power sources without relying on DC/DC converters. The main objectives of this research are two: on one hand, to analyze and control the power sharing between the two DC sources through the motor; on the other hand, to propose an innovative modulation technique capable of maximizing energy efficiency by reducing system losses, particularly losses related to the presence of two inverters. A control strategy based on rotor field oriented control is adopted to drive the motor. A decoupled modulation approach is used, applying space vector modulation independently on both inverters. The proposed technique aims to reduce switching events along the edges of the hexagon defined by the inverter’s basic voltage vectors. The work is structured into several phases. It begins with the theoretical modeling of the system and its main components. The concept of power sharing is then explored in detail, comparing various modulation techniques available in the literature. An analytical model is subsequently proposed for calculating losses in DC-link capacitors and power devices (MOSFETs and IGBTs), distinguishing between conduction, and switching losses. Finally, a numerical analysis based on real device parameters is presented for four different operating conditions, validating the proposed loss calculation methodology and identifying the optimal modulation points for system operation.

Questa tesi si concentra sullo studio e lo sviluppo di strategie di modulazione per motori con avvolgimenti statorici aperti. Tale architettura si presenta come una valida alternativa ai convertitori multilivello per applicazioni ad alta efficienza energetica. Inoltre, è una configurazione promettente per alcune applicazioni, in particolare nei veicoli elettrici e ibridi, grazie alla possibilità di gestire due sorgenti di alimentazione in corrente continua isolate, senza ricorrere a convertitori DC/DC. L’obiettivo principale della ricerca è duplice: da un lato, analizzare e controllare lo scambio di potenza (power sharing) tra le due sorgenti DC attraverso il motore. Dall’altro lato, proporre una tecnica di modulazione innovativa in grado di massimizzare l'efficienza energetica riducendo le perdite del sistema, in particolare quelle dovute alla presenza di due inverter. Viene adottata una strategia basata sul rotor field oriented control per controllare il motore. Si utilizza una modulazione disaccoppiata, che utilizza la space vector modulation in maniera indipendente su entrambi gli inverter. La tecnica proposta considera la riduzione delle commutazioni lungo i bordi dell’esagono definito dai vettori base dell'inverter. Il lavoro si articola in diverse fasi. Si parte dalla modellazione teorica del sistema e dei suoi componenti principali. Si approfondisce quindi il concetto di condivisione della potenza e si confrontano varie tecniche di modulazione presenti in letteratura. Successivamente, si propone un modello analitico per il calcolo delle perdite nei condensatori DC-link e nei dispositivi di potenza (MOSFET e IGBT), distinguendo tra perdite di conduzione e di commutazione. Infine, una sezione sperimentale, utilizzando i parametri di dispositivi reali, presenta l’analisi numerica di quattro condizioni operative, convalidando la metodologia proposta per il calcolo delle perdite e individuando i punti di funzionamento ottimali da usare per la modulazione.