Optimization of a CSI inverter and DC/DC elevator with silicon carbide devices, for applications in electric traction systems

Abstract

The applications of electric traction systems currently focus on developing technologies with greater energy efficiency and lower environmental impact. Manufacturers of hybrid and electric vehicles are looking for ways to improve and optimize the efficiency of their models. Manufacturers are looking for more efficient and more compact converter topologies. The use of new band gap materials in the construction of these topologies has generated many debates and new lines of research especially in the optimization of these topologies. The silicon carbide (SiC) based switching devices provide significant performance improvements in many aspects, including lower power dissipation, higher operating temperatures, and faster switching, compared with conventional Si devices, all these features make that these devices generate interest in applications for electric traction systems. This work presents a method for improving total harmonic distortion (THD) in the currents of output and efficiency in SiC current source inverter for future application in an electric traction system. The method proposed consists in improving the coupling of a bidirectional converter topology V-I and CSI. The V-I converter serves as a current regulator for the CSI and allows the recovery of energy. The method involves an effective selection of the switching frequencies and phase angles for the carriers signals present in each converter topology. With this method, it is expected to have a reduction of the total harmonic distortion THD in the output currents. In addition, an analysis of the losses in the motor and topologies of power converters is developed considering the optimization method previously analyzed. The weighted average efficiency of the whole system (power converters + motor) in differents conditions of operations is presented.

Las aplicaciones de los sistemas de tracción eléctrica actualmente se centran en el desarrollo de tecnologías con mayor eficiencia energética y menor impacto ambiental. Los fabricantes de vehículos híbridos y eléctricos están buscando formas de mejorar y optimizar la eficiencia de sus modelos. Los fabricantes buscan topologías de convertidores más eficientes y más compactas. El uso de nuevos materiales de banda prohibida en la construcción de estas topologías ha generado muchos debates y nuevas líneas de investigación, especialmente en la optimización energética de las mismas. Los dispositivos de conmutación basados en carburo de silicio (SiC) proporcionan mejoras significativas en la eficiencia en muchos aspectos, incluida una menor disipación de potencia, temperaturas de funcionamiento más altas y una conmutación más rápida, en comparación con los dispositivos de Si convencionales. Todas estas características hacen que estos dispositivos generen interés en las aplicaciones de sistemas tracción eléctrica. Este trabajo presenta un método para mejorar la distorsión armónica total (THD) en las corrientes de salida y eficiencia en el inversor de fuente de corriente SiC para aplicaciones futuras en un sistema de tracción eléctrica. El método propuesto consiste en mejorar el acoplamiento de una topología de convertidor bidireccional V-I y CSI. El convertidor V-I sirve como un regulador de corriente para el CSI y permite la recuperación de energía. El método implica una selección efectiva de las frecuencias de conmutación y los ángulos de fase para las señales portadoras presentes en cada topología del convertidor. Con este método, se espera una reducción de la distorsión armónica total THD en las corrientes de salida. Además, se desarrolla un análisis de las pérdidas en el motor y las topologías de los convertidores de potencia considerando el método de optimización analizado previamente. Se presenta la eficiencia promedio ponderada de todo el sistema (convertidores de potencia + motor) en diferentes condiciones de operación