Analisi e progettazione di convertitori basati su dispositivi SiC con tecniche di controllo avanzate

In recent years, power electronics has shown a rapid and vast technological development in relation to various areas ranging from renewable energies, with distributed systems, to the implementation of advanced conversion systems for all electro-mobility vehicles. In particular, despite the increasing power involved, this last application requires a continuous in terms of weights and volumes and it represents a continuous technological challenge in terms of materials and devices used for the construction of electronic power converters. Current technologies, being based on the use of silicon electronic devices, have both the low thermal and the maximum working frequency limits. These limitations have led to the need to develop new electronic power devices based on cutting-edge technologies, called WBG, able to overcome the existing restriction. The use of WBG devices is winning and advantageous in terms of performance and is a great solution in many applications of power electronics, making it possible to define extremely ambitious new objectives, such as the possibility of creating vehicles for the space exploration with electric propulsion . Just for this example it is clear the need for electronic power converters to innovate in terms of power density as well as to achieve the necessary reliability. The purpose of this study is to understand the characteristics of WBG technologies such as SiC and GaN, to explore the advantages and disadvantages of devices composed of such materials and to evaluate their behavior and convenience through simulations and loss modeling in applications such as static converters. During the study period, converter prototypes have been developed taking into account the needs for the use of WBG devices. Real time HIL simulation methods have been analyzed, studied and implemented to demonstrate their effectiveness in the design of drives and power converters. Critical issue is related to the power converters that use devices WBG leading to some EMC phenomena that cover an increasingly preponderant role due to the high di/dt and dv/dt and that for this reason make the development of layout and PCBs a fundamental issue. For this reason electromagnetic simulation methods for the emulation of these phenomena have been studied. The analysis and study of innovative electronic power converters that use WBG devices aims to achieve higher efficiency values around 99\%, also obtaining an increasing in power density both from the point of view of the volume and the weight.

Negli ultimi anni, l'elettronica di potenza ha mostrato un rapido e vasto sviluppo tecnologico in relazione a vari settori che vanno dalle energie rinnovabili, con sistemi distribuiti, all'implementazione di sistemi di conversione avanzati per tutti i veicoli elettrici. In particolare, nonostante la crescente potenza coinvolta, quest'ultima applicazione richiede una continua in termini di pesi e volumi e rappresenta una continua sfida tecnologica in termini di materiali e dispositivi utilizzati per la costruzione di convertitori di potenza elettronici. Le tecnologie attuali, essendo basate sull'uso di dispositivi elettronici al silicio, hanno sia i limiti di bassa temperatura termica che massima di lavoro. Queste limitazioni hanno portato alla necessità di sviluppare nuovi dispositivi elettronici di potenza basati su tecnologie all'avanguardia, chiamate WBG, in grado di superare la restrizione esistente. L'uso dei dispositivi WBG è vincente e vantaggioso in termini di prestazioni ed è un'ottima soluzione in molte applicazioni dell'elettronica di potenza, rendendo possibile la definizione di nuovi obiettivi estremamente ambiziosi, come la possibilità di creare veicoli per l'esplorazione dello spazio con propulsione elettrica. Proprio per questo esempio è evidente la necessità per i convertitori di potenza elettronici di innovare in termini di densità di potenza e di ottenere l'affidabilità necessaria. Lo scopo di questo studio è comprendere le caratteristiche delle tecnologie WBG come SiC e GaN, esplorare i vantaggi e gli svantaggi dei dispositivi composti da tali materiali e valutarne il comportamento e la convenienza attraverso simulazioni e modelli di perdita in applicazioni come convertitori statici. Durante il periodo di studio, sono stati sviluppati prototipi di convertitori tenendo conto delle esigenze di utilizzo dei dispositivi WBG. I metodi di simulazione HIL in tempo reale sono stati analizzati, studiati e implementati per dimostrare la loro efficacia nella progettazione di azionamenti e convertitori di potenza. La questione critica è legata ai convertitori di potenza che utilizzano dispositivi WBG che portano ad alcuni fenomeni EMC che ricoprono un ruolo sempre più preponderante a causa dell'elevato di / dt e dv / dt e che per questo motivo rendono lo sviluppo di layout e PCB un problema fondamentale. Per questo motivo sono stati studiati metodi di simulazione elettromagnetica per l'emulazione di questi fenomeni. L'analisi e lo studio di convertitori di potenza elettronici innovativi che utilizzano dispositivi WBG mira a raggiungere una maggiore efficienza intorno al 99%, ottenendo anche un aumento della densità di potenza sia dal punto di vista del volume che del peso.