Silicon Carbide (SiC)-Based Soft-Switched Power Converters with Autonomous Gate Drivers for Electric Vehicles
Tid: Fr 2025-10-24 kl 13.00
Plats: Room no: 132, Code: F3 (Flodis), Floor: 02, Lindstedtsvägen 26 & 28
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/63418851724
Språk: Engelska
Ämnesområde: Elektro- och systemteknik
Respondent: Khizra Abbas , Elkraftteknik, Power Electronics
Opponent: Professor Jacek Rabkowski, Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland
Handledare: Professor Hans-Peter Nee, Elkraftteknik
QC 20250926
Abstract
Elektrifieringen av transport kräver effektomvandlingssystem som är mycket effektiva, kompakta, pålitliga och som uppvisar låg elektromagnetisk störning (EMI). I elfordonsapplikationer (EV) är den tvånivåiga trefasiga drivomvandlaren en nyckelkomponent som måste ha hög effektivitet över varierande belastningar och pålitlig drift vid höga switchfrekvenser.
Denna avhandling presenterar en skalbar och högpresterande omvandlardesign som kombinerar autonoma gate-drivare (AGD) med optimerade magnetiska komponenter. Den inkluderar snubber-kondensatorer över varje SiC MOSFET och ett kompakt LC-lågpassfilter mellan omvandlarens utgång och motorterminalerna för att möjliggöra effektiv mjukomkoppling och minska EMI. Denna metod tar itu med viktiga utmaningar inom EV-effektomvandling och banar väg för kompakta, effektiva och EMI-kompatibla drivomvandlare för nästa generations elektriska mobilitet.
Den nya AGD-designen uppnår nollspänningsomkoppling (ZVS) under triangulär strömmode (TCM) styrning genom att kontinuerligt övervaka switchens spänning och ström för att bestämma optimala omskiftningstidpunkter i realtid. Direkt avkänning av switchförhållanden eliminerar kommunikationsförseningar och säkerställer effektiv ZVS vid både på- och avslagning. Avslagnings-tidpunkten styrs av en externt definierad referensström som överförs via en galvaniskt isolerad förstärkare.
Simulering av en 10kW tvånivåig trefasomvandlare med de föreslagna AGD:erna visar över 99% verkningsgrad, sinusformade strömvågor och snabb momentrespons med minimal överslängning och EMI. Det integrerade LC-filtret förbättrar utgångsvågformen samtidigt som det stödjer mjukomkopplingsdrift.
Experimentell validering av AGD-konceptet utfördes med en buck- omvandlarprototyp. AGD:erna fungerade oberoende av en central styrenhet, initierade påslagning baserat på negativ spänningsdetektion och möjliggjorde förlustfri avslagning genom en snubber-kondensator. Systemet uppnådde ZVS vid båda övergångarna, vilket bekräftar praktikaliteten och skalbarheten i den föreslagna gate-drivningsmetoden. För strömmätning använder AGD:erna SiC MOSFET:arnas påslagsresistans (Rds(on)), vilket eliminerar behovet av externa shuntmotstånd. Detta minskar komponentantalet, undviker parasitiska effekter och ökar potentiellt tillförlitligheten.
Avhandlingen undersöker även utformningen av filterinduktorer lämpliga för TCM-baserade ZVS-omvandlare. Tre prototyper konstruerades med ferritpotkärnor och lindningar av Litz-tråd, kopparfolie och solida runda koppartrådar. Induktansen mättes experimentellt och effektförluster utvärderades med Ansys Maxwell-simuleringar under höga ripple-strömmar och varierande frekvenser. Litz-tråden visade överlägsen prestanda vad gäller minimering av både koppar- och kärnförluster. En dubbelinduktor-konfiguration per fas — totalt sex induktorer — rekommenderas för effektiv strömhantering och termisk kontroll.