Contributions to the design of power modules for electric and hybrid vehicles: trends, design aspects and simulation techniques

314 p.En la última década, la protección del medio ambiente y el uso alternativo de energías renovables están tomando mayor relevancia tanto en el ámbito social y político, como científico. El sector del transporte es uno de los principales causantes de los gases de efecto invernadero y la polución existente, contribuyendo con hasta el 27 % de las emisiones a nivel global. En este contexto desfavorable, la electrificación de los vehículos de carretera se convierte en un factor crucial. Para ello, la transición de la actual flota de vehículos de carretera debe ser progresiva forzando la investigación y desarrollo de nuevos conceptos a la hora de producir vehículos eléctricos (EV) y vehículos eléctricos híbridos (HEV) más eficientes, fiables, seguros y de menor coste. En consecuencia, para el desarrollo y mejora de los convertidores de potencia de los HEV/EV, este trabajo abarca los siguientes aspectos tecnológicos: - Arquitecturas de la etapa de conversión de potencia. Las principales topologías que pueden ser implementadas en el tren de potencia para HEV/EV son descritas y analizadas, teniendo en cuenta las alternativas que mejor se adaptan a los requisitos técnicos que demandan este tipo de aplicaciones. De dicha exposición se identifican los elementos constituyentes fundamentales de los convertidores de potencia que forman parte del tren de tracción para automoción.- Nuevos dispositivos semiconductores de potencia. Los nuevos objetivos y retos tecnológicos solo pueden lograrse mediante el uso de nuevos materiales. Los semiconductores Wide bandgap (WBG), especialmente los dispositivos electrónicos de potencia basados en nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC), son las alternativas más prometedoras al silicio (Si) debido a las mejores prestaciones que poseen dichos materiales, lo que permite mejorar la conductividad térmica, aumentar las frecuencias de conmutación y reducir las pérdidas.- Análisis de técnicas de rutado, conexionado y ensamblado de módulos de potencia. Los módulos de potencia fabricados con dies en lugar de dispositivos discretos son la opción preferida por los fabricantes para lograr las especificaciones indicadas por la industria de la automoción. Teniendo en cuenta los estrictos requisitos de eficiencia, fiabilidad y coste es necesario revisar y plantear nuevos layouts de las etapas de conversión de potencia, así como esquemas y técnicas de paralelización de los circuitos, centrándose en las tecnologías disponibles.Teniendo en cuenta dichos aspectos, la presente investigación evalúa las alternativas de semiconductores de potencia que pueden ser implementadas en aplicaciones HEV/EV, así como su conexionado para la obtención de las densidades de potencia requeridas, centrándose en la técnica de paralelización de semiconductores. Debido a la falta de información tanto científica como comercial e industrial sobre dicha técnica, una de las principales contribuciones del presente trabajo ha sido la propuesta y verificación de una serie de criterios de diseño para el diseño de módulos de potencia. Finalmente, los resultados que se han extraído de los circuitos de potencia propuestos demuestran la utilidad de dichos criterios de diseño, obteniendo circuitos con bajas impedancias parásitas y equilibrados eléctrica y térmicamente. A nivel industrial, el conocimiento expuesto en la presente tesis permite reducir los tiempos de diseño a la hora de obtener prototipos de ciertas garantías, permitiendo comenzar la fase de prototipado habiéndose realizado comprobaciones eléctricas y térmicas

Next generation electric drives for HEV/EV propulsion systems: Technology, trends and challenges

In recent decades, several factors such as environmental protection, fossil fuel scarcity, climate change and pollution have driven the research and development of a more clean and sustainable transport. In this context, several agencies and associations, such as the European Union H2020, the United States Council for Automotive Research (USCAR) and the United Nations Economic and Social Commission for Asia (UN ESCAP) have defined a set of quantitative and qualitative goals in terms of efficiency, reliability, power losses, power density and economical costs to be met by next generation hybrid and full electric vehicle (HEV/EV) drive systems. As a consequence, the automotive electric drives (which consists of the electric machine, power converter and their cooling systems) of future vehicles have to overcome a number of technological challenges in order to comply with the aforementioned technical objectives. In this context, this paper presents, for each component of the electric drive, a comprehensive review of the state of the art, current technologies, future trends and enabling technologies that will make possible next generation HEV/EVs.This work has been partially supported by the Department of Education, Linguistic Policy and Culture of the Basque Government within the fund for research groups of the Basque university system IT978-16, by the Ministerio de Economía y Competitividad of Spain within the project DPI2014-53685-C2-2-R and FEDER funds and by the Government of the Basque Country within the research program ELKARTEK as the project KT4TRANS (KK-2015/00047 and KK-2016/00061), as well as by the program to support the specialization of Ph.D researchers at UPV/EHU ESPDOC16/25

The role of power device technology in the electric vehicle powertrain

In the automotive industry, the design and implementation of power converters and especially inverters, are at a turning point. Silicon (Si) IGBTs are at present the most widely used power semiconductors in most commercial vehicles. However, this trend is beginning to change with the appearance of wide-bandgap (WBG) devices, particularly silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN). It is therefore advisable to review their main features and advantages, to update the degree of their market penetration, and to identify the most commonly used alternatives in automotive inverters. In this paper, the aim is therefore to summarize the most relevant characteristics of power inverters, reviewing and providing a global overview of the most outstanding aspects (packages, semiconductor internal structure, stack-ups, thermal considerations, etc.) of Si, SiC, and GaN power semiconductor technologies, and the degree of their use in electric vehicle powertrains. In addition, the paper also points out the trends that semiconductor technology and next-generation inverters will be likely to follow, especially when future prospects point to the use of “800 V" battery systems and increased switching frequencies. The internal structure and the characteristics of the power modules are disaggregated, highlighting their thermal and electrical characteristics. In addition, aspects relating to reliability are considered, at both the discrete device and power module level, as well as more general issues that involve the entire propulsion system, such as common-mode voltage.This work has been supported in part by the Government of the Basque Country through the fund for research groups of the Basque University System IT1440-22 and the Ministerio de Ciencia e Innovación of Spain as part of project PID2020-115126RB-I00 and FEDER funds. Finally, the collaboration of Yole Développement (Yole) is appreciated for providing updated data on its resources

A methodology to determine reliability issues in automotive SiC power modules combining 1D and 3D thermal simulations under driving cycle profiles

Current environmental concerns and fuel scarcity are leading to the progressive introduction of Electric Vehicles (EV) in the global fleet vehicle population. This requires significant design and research efforts from scientific community and industry to provide reliable automotive electric propulsion systems. The power modules used for automotive traction inverters can be considered as central elements of such systems. As they are subject to high electro-thermal stress during operation, Design-for-Reliability (DfR) approaches should be adopted. Thus, accurate models for electro-thermal simulations are relevant since the early design stages. However, such simulations become highly time consuming and complex when accurate thermal characterization through standardized or real driving conditions needs to be provided. In this context, this work proposes a simulation methodology that combines real-time simulation for electro-thermal characterization of the whole EV propulsion system, using a 1D equivalent thermal impedance circuit, in conjunction with 3D FEM thermal simulation. In this way, an accurate thermal characterization of the power module under driving cycles with long duration (of hundreds of seconds) can be obtained without computing heavy 3D FEM simulations. The proposed procedure allows to simplify and speed up the early design stages while maintaining high accuracy in the results.This work has been supported by the Department of Education, Linguistic Policy and Culture of the Basque Government within the fund for research groups of the Basque university system IT978-16, by the Government of the Basque Country within the research program ELKARTEK as the project ENSOL (KK-2018/00040), and by the program to support the education of researches of the Basque Country PRE_2017_2_0008

Wide Bandgap semiconductor HF-oscillation attenuation method with tuned gate RLC filter

Wide Bandgap (WBG) transistors provide better switching performance and higher operating temperatures compared to state of the art Si devices and are suited for high frequency applications due to very short switching times. The main obstacle for implementation of WBG transistors at full potential is the high frequency oscillation in voltage and current during switching transients. Oscillations arise from resonance due to parasitic and device inductances and capacitances. Introduction of WBG transistors depends on the elimination of these oscillations and their negative effect on the performance of power converters. Good layout practice is mandatory, but there is a limit to the reduction of these parasitics and, often, slowing of the semiconductor switching time must be applied. This paper presents a simple methodology for the attenuation of the negative effects of WBG transistor high frequency oscillations without increasing rise and fall times. The proposed methodology is based on determination of the source of feedback resonant frequency between gate and power loops using network analyzer measurement on PCB and utilization of tuned RLC filter. Experimental application of the methodology shows direct relationship between loop resonant frequency and voltage and current oscillations. The proposed method reduces power losses, high frequency oscillations and EMI.UPV/EHU IT978-16, GV/EJ (Elkartek) KK-2018/0004

Contributions to the design of power modules for electric and hybrid vehicles: trends, design aspects and simulation techniques

314 p.En la última década, la protección del medio ambiente y el uso alternativo de energías renovables están tomando mayor relevancia tanto en el ámbito social y político, como científico. El sector del transporte es uno de los principales causantes de los gases de efecto invernadero y la polución existente, contribuyendo con hasta el 27 % de las emisiones a nivel global. En este contexto desfavorable, la electrificación de los vehículos de carretera se convierte en un factor crucial. Para ello, la transición de la actual flota de vehículos de carretera debe ser progresiva forzando la investigación y desarrollo de nuevos conceptos a la hora de producir vehículos eléctricos (EV) y vehículos eléctricos híbridos (HEV) más eficientes, fiables, seguros y de menor coste. En consecuencia, para el desarrollo y mejora de los convertidores de potencia de los HEV/EV, este trabajo abarca los siguientes aspectos tecnológicos: - Arquitecturas de la etapa de conversión de potencia. Las principales topologías que pueden ser implementadas en el tren de potencia para HEV/EV son descritas y analizadas, teniendo en cuenta las alternativas que mejor se adaptan a los requisitos técnicos que demandan este tipo de aplicaciones. De dicha exposición se identifican los elementos constituyentes fundamentales de los convertidores de potencia que forman parte del tren de tracción para automoción.- Nuevos dispositivos semiconductores de potencia. Los nuevos objetivos y retos tecnológicos solo pueden lograrse mediante el uso de nuevos materiales. Los semiconductores Wide bandgap (WBG), especialmente los dispositivos electrónicos de potencia basados en nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC), son las alternativas más prometedoras al silicio (Si) debido a las mejores prestaciones que poseen dichos materiales, lo que permite mejorar la conductividad térmica, aumentar las frecuencias de conmutación y reducir las pérdidas.- Análisis de técnicas de rutado, conexionado y ensamblado de módulos de potencia. Los módulos de potencia fabricados con dies en lugar de dispositivos discretos son la opción preferida por los fabricantes para lograr las especificaciones indicadas por la industria de la automoción. Teniendo en cuenta los estrictos requisitos de eficiencia, fiabilidad y coste es necesario revisar y plantear nuevos layouts de las etapas de conversión de potencia, así como esquemas y técnicas de paralelización de los circuitos, centrándose en las tecnologías disponibles.Teniendo en cuenta dichos aspectos, la presente investigación evalúa las alternativas de semiconductores de potencia que pueden ser implementadas en aplicaciones HEV/EV, así como su conexionado para la obtención de las densidades de potencia requeridas, centrándose en la técnica de paralelización de semiconductores. Debido a la falta de información tanto científica como comercial e industrial sobre dicha técnica, una de las principales contribuciones del presente trabajo ha sido la propuesta y verificación de una serie de criterios de diseño para el diseño de módulos de potencia. Finalmente, los resultados que se han extraído de los circuitos de potencia propuestos demuestran la utilidad de dichos criterios de diseño, obteniendo circuitos con bajas impedancias parásitas y equilibrados eléctrica y térmicamente. A nivel industrial, el conocimiento expuesto en la presente tesis permite reducir los tiempos de diseño a la hora de obtener prototipos de ciertas garantías, permitiendo comenzar la fase de prototipado habiéndose realizado comprobaciones eléctricas y térmicas

Influencia de las modulaciones PWM en las pérdidas de potencia de los condensadores del DC-Link en inversores VSI multifásicos

En aplicaciones de tracción eléctrica, los accionamientos multifásicos se están convirtiendo en una alternativa a tener en cuenta frente a sus homólogos trifásicos, debido a una serie de ventajas que compensan su coste adicional como, una mayor capacidad de corriente, una mayor tolerancia a los fallos, una mayor eficiencia, y un menor rizado de par y corriente por el DC-Link. Este trabajo se centra en analizar el impacto que tienen las técnicas de modulación PWM en un componente tan crítico, caro, y voluminoso como es el condensador del DC-Link en un inversor de cinco fases. Teniendo en cuenta que la resistencia serie equivalente (ESR) del condensador varía con la frecuencia, el típico cálculo aproximado de las pérdidas en este componente mediante el valor eficaz de la corriente suele ser inexacto. Por ello, se ha realizado el análisis espectral de la corriente de entrada para un inversor VSI de cinco fases y dos niveles, con el fin de estimar con mayor precisión las pérdidas en el condensador del DC-Link y ver qué técnica de modulación PWM beneficia a este componente en función de su curva de ESR y la frecuencia de conmutación seleccionada.Ha sido financiado por el Gobierno Vasco en base a las ayudas para apoyar las actividades de grupos de investigación del sistema universitario vasco IT978-16. Además, ha sido financiado por el Gobierno Vasco a través del proyecto de investigación ENSOL2 (KK-2020/00077) del programa ELKARTEK y el MCIN/AEI/10.13039/501100011033 a través del proyecto de investigación PID2020-115126RB-I00. Por último, se quiere agradecer también el apoyo del programa predoctoral de la UPV/EHU por la beca predoctoral (PIF20-305)