Nové topologie polovodičových měničů s vysokou účinností

Ing. Martin JÁRA

Disertační práce

Anotace:

Tato práce se zabývá vývojem měničů s vysokou účinností a je tématicky zaměřena na oblast vozidel lehké trakce. Především se věnuje měničům pro pomocné pohony trolejbusů a dále systému bezdrátového nabíjení elektrických vozidel. V první části práce jej popsána problematika samotných pomocných pohonů a navržena nová koncepce s rozšířenými funkcemi. Součástí koncepce je výběr topologií jednotlivých měničů a stanovení jejich parametrů. Vysoká účinnost celé struktury je pak umožněna volbou moderních SiC JFET prvků a rezonančních měničů. V další části je provedena analýza ztrát vybraných polovodičů a odvozeno oteplení jejich kanálu při definovaných podmínkách chlazení. Zároveň byl sestaven experimentální měnič, který umožnil ověření ztrát a účinnosti v topologiích nové koncepce. Dále je uvedeno srovnání s referenčním měničem s Si IGBT technologií. Současně byl vyvinut driver pro SiC JFET prvky s odolností vůči rušení v důsledku vysokých hodnot du/dt a di/dt. Dalším krokem je návrh a realizace funkčních vzorků, jejichž provedení respektovalo relevantní normy pro drážní vozidla. Prvním funkčním vzorkem je vstupní stabilizátor trolejového napětí o výkonu 22kW s topologií sériově spojených pulsních měničů s reverzací proudu. Součástí návrhu je diskuze výhod přesazeného a nepřesazeného řízení a návrh řídícího algoritmu. Druhým funkčním vzorkem je izolující měnič o výkonu 2x10kW pracující se spínací frekvencí v oblasti 100kHz. Právě schopnost vyvinutých měničů pracovat s vysokými spínacími frekvencemi při zachování nízkých ztrát vedlo posléze k jejich nasazení v systému bezdrátového nabíjení vozidel lehké trakce, kterým se zabývá závěrečná část práce.

Abstract:

This thesis is focused on the development of high-efficiency power electronics converters especially in the field of light traction applications. Primarily, it deals with the auxiliary drives of trolleybuses and with the wireless charging system for electric vehicles. The first part describes the problems of the auxiliary drives themselves and proposes a new concept with enhanced features. Part of the concept is the choice of topology of individual converters and their required parameters. The high efficiency of the entire structure is then enabled by the use of modern SiC JFET power devices and resonant converters. In the next part, the losses of selected semiconductors are analyzed and the devices temperature rise under defined cooling conditions is estimated. At the same time, an experimental converter was built, which allowed for the losses and efficiency verification in topologies of the new concept. The comparison with the reference converter based on Si IGBT technology is also given. Also, an appropriate SiC JFET driver with high immunity against the switching noise (high du/dt and di/dt) was developed. The next step is the design and implementation of the functional prototypes with respect to the relevant standards for rail vehicles. The first functional prototype is the input voltage stabilizer with output power of 22kW which is based on a series-connected bi-directional buck-boost converters. The benefits of interleaved and non-interleaved control schemes are discussed and the proposed control algorithm is presented. The second functional sample is a 2 x 10kW isolating converter operating at a switching frequency around 100kHz. The ability of the developed inverters to operate at high switching frequencies while maintaining low losses led to their deployment in the wireless charging system intended for light traction vehicles. That is described in the final chapter of this thesis.

Klíčová slova

SiC tranzistory, rezonanční měniče, pomocné pohony, drivery, bezdrátové napájení, trolejbus, lehká trakce

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 28. 6. 2017

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta elektrotechnická

Doktorský studijní program / obor:
Elektrotechnika a informatika / Elektronika