Design of a high-voltage SiC-based inverter for motorsport application

Electrical drives are playing an increasingly central role in motorsport, both as a pathway toward more sustainable competitions and as a testbed for cutting-edge technologies. The innovations developed in this field directly translate to the automotive industry, encouraging technology transfer and accelerating the sector’s progress. Within this context lies the international competition of Formula Student, which bridges academic research with the engineering challenges of motorsport, enabling the deployment of advanced technologies in a highly competitive environment. This thesis focuses on the development of a high-power-density electric drive based on Silicon Carbide (SiC) technology, designed for a vehicle with four independent in-wheel motors. This configuration unlocks new possibilities for implementing innovative control algorithms aimed at enhancing vehicle dynamics while improving safety. The research is structured into several phases. First, the selection of power devices is analyzed, considering alternative configurations and criteria to maximize power density. The chosen solutions are then simulated, encompassing the design of the gate-driver architecture, the selection of isolated power supplies, and the specification of the DC bus capacitors. In parallel, multiple CAD configurations are explored and iteratively refined, ultimately converging on a compact, assembly-friendly design optimized both for a single-inverter unit and for the four-inverter architecture. After defining the mechanical structure and designing the electrical schematics, the PCB layout is finalized for both the logic and power boards. In parallel, the motor control software is developed and validated through multiphysics electromechanical simulations, where different current-reference generation strategies are investigated. The entire control pipeline is rewritten in C to ensure firmware compatibility. The selected algorithms are first validated on general-purpose development boards and then adapted to the dedicated control board. The convergence of these two activities enables standalone testing of the assembled boards—covering both functional verification and validation—and, subsequently, testing of the complete system. Assembly testing culminates in a back-to-back two-motor configuration, coupled on a common shaft and operated across multiple torque–speed points. The results confirm the validity of the design choices and enable both a qualitative and quantitative comparison with previously adopted solutions.

La propulsione elettrica sta assumendo un ruolo sempre più centrale nel motorsport, sia come strumento per rendere le competizioni più sostenibili, sia come banco di prova per soluzioni tecnologiche all’avanguardia. Le innovazioni sviluppate in questo ambito trovano applicazione diretta nell'industria automotive, favorendo il trasferimento tecnologico e accelerando il progresso dell’intero settore. In tale contesto si colloca la competizione internazionale di Formula Student, che unisce la ricerca accademica con le sfide ingegneristiche del motorsport, consentendo di sperimentare tecnologie avanzate in un ambiente altamente competitivo. Questa tesi si concentra sullo sviluppo di un azionamento elettrico ad alta densità di potenza basato sulla tecnologia al Carburo di Silicio (SiC), progettato per un veicolo a quattro motori indipendenti integrati nelle ruote. Tale configurazione abilita nuove possibilità di implementazione di algoritmi di controllo innovativi, con l’obiettivo di migliorare le prestazioni dinamiche del veicolo e incrementarne la sicurezza. La ricerca si articola in diverse fasi. In primo luogo vengono definiti i requisiti e viene analizzata la scelta dei dispositivi di potenza, considerando differenti configurazioni e criteri di selezione per massimizzare la densità di potenza. Le soluzioni individuate vengono quindi simulate, includendo la progettazione dell’architettura di pilotaggio dei gate, la selezione degli alimentatori isolati e la definizione dei condensatori del DC bus. Parallelamente, vengono esplorate diverse configurazioni CAD, iterativamente ottimizzate fino a ottenere un design compatto e di facile assemblaggio, valido sia per il singolo inverter che per la configurazione a quattro inverter. Dopo aver definito la struttura meccanica e progettato gli schemi elettrici, si procede alla finalizzazione del layout PCB per le schede di logica e di potenza. In parallelo è stato sviluppato e validato il software di controllo, analizzando differenti strategie di generazione delle correnti tramite simulazioni multifisiche elettromeccaniche. L'intera strategia di controllo è stata riscritta in C, adattando la compatibilità del firmware. Gli algoritmi selezionati sono stati inizialmente validati su schede di sviluppo general purpose e successivamente adattati alla scheda di controllo sviluppata nell’ambito di questa tesi. La convergenza di queste due attività ha consentito, in primo luogo, il collaudo delle singole schede assemblate, sia a fini di verifica funzionale sia di validazione delle simulazioni svolte. In seguito, sono state eseguite prove sull'insieme completo. Questi test sono culminati in una prova con configurazione back-to-back, con due motori accoppiati meccanicamente. Durante questi test, sono stati mappati diversi punti di lavoro coppia-velocità. I risultati hanno dimostrato la solidità delle scelte progettuali, permettendo un confronto qualitativo e quantitativo con le soluzioni pregresse e confermando il progetto dal punto di vista funzionale e prestazionale.