Toroid inductor development for a SIC DC-DC converter up to 150kW, based on finite element method

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Esta tese trata do desenvolvimento de um indutor para um carregador rápido de carros eléctricos. Este sistema de carregamento utiliza semicondutores SiC, suportando assim correntes elevadas (300A) e atingindo altas frequências de comutação (100kHz). Desta maneira consegue-se reduzir o tamanho do componente magnético. É deduzido o modelo matemático do conversor, onde é possível calcular a indutância necessária para se respeitar os limites de operação dos semicondutores. Os materiais do tipo núcleo de partículas (powders) em forma toroidal são seleccionados como os mais adequados para esta aplicação devido às suas prioridades de design. É realizada uma abordagem de otimização multiobjetiva. Esta abordagem tem por base um estudo de sensibilidade conduzido com recurso a um software que utiliza o método dos elementos finitos (FEM). As melhores configurações por material são comparadas, onde se conclui que o material High Flux 26µ supera as outras opções em termos de tamanho e custo, mantendo um valor de perdas aceitável. O projecto de enrolamento tem em consideração condutor sólido e litz, concluindo-se que o condutor sólido era uma melhor opção devido ao seu menor custo.

Abstract: In this thesis an inductor for an Electric Vehicle (EV) fast charger is designed and built. The fast charger utilizes Silicon Carbide (SiC) semiconductors enabling the system to support high currents (300 A) while switching at high frequencies (up to 100 kHz). This leads to a reduction on the required inductance value for the bidirectional DC-DC converter (BDC). The required inductance value for the BDC is calculated from its mathematical model. This inductor is required to support a DC current of 300A with a ripple component with frequency up to 100 kHz. A group of powder core materials with toroidal core shapes are selected as best suited for the application due to the design priorities. A multi-objective optimization approach is built based on a sensibility test conducted with electromagnetic Finite Element Method (FEM) analysis. The better configurations achieved per material are then compared, where the High Flux 26µexceeded the other powder materials in terms of size and cost while maintaining the inductor losses at acceptable values. The winding design considers litz and solid wire, in which is concluded that for this particular application the solid wire is the best option due to lower cost.